Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp cảnh báo lũ quét cho lưu vực nhỏ miền núi và áp dụng thử nghiệm cho 2 lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng tỉnh Hà Giang

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:144

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu phương pháp cảnh báo lũ quét cho lưu vực nhỏ miền núi và áp dụng thử nghiệm cho 2 lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng tỉnh Hà Giang" nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn xây dựng phương pháp cảnh báo lũ quét cho lưu vực nhỏ miền núi và áp dụng thử nghiệm cho 2 lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng tỉnh Hà Giang.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp cảnh báo lũ quét cho lưu vực nhỏ miền núi và áp dụng thử nghiệm cho 2 lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng tỉnh Hà Giang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THẾ TOÀN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CẢNH BÁO LŨ QUÉT CHO LƯU VỰC NHỎ MIỀN NÚI VÀ ÁP DỤNG THỬ NGHIỆM CHO 2 LƯU VỰC NẬM LY VÀ NÀ NHÙNG TỈNH HÀ GIANG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THẾ TOÀN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CẢNH BÁO LŨ QUÉT CHO LƯU VỰC NHỎ MIỀN NÚI VÀ ÁP DỤNG THỬ NGHIỆM CHO 2 LƯU VỰC NẬM LY VÀ NÀ NHÙNG TỈNH HÀ GIANG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngành: Thủy văn học Mã số: 9440224 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Trần Kim Châu 2. PGS.TS Nguyễn Bá Quỳ HÀ NỘI, NĂM 2023
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................iv DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ........................ vii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết đề tài .................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................3 4. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................4 6. Kết cấu của luận án ..................................................................................................4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ LŨ QUÉT VÀ CẢNH BÁO, DỰ BÁO LŨ QUÉT .................................................................................5 1.1 Một số khái niệm sử dụng trong Luận án ..........................................................5 1.1.1 Khái niệm về lũ quét ...................................................................................5 1.1.2 Khái niệm về tràn bờ, lưu lượng tràn bờ .....................................................7 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ......................................................................10 1.2.1 Tổng quan nghiên cứu dự báo, cảnh báo lũ quét ......................................10 1.2.2 Tổng quan nghiên cứu về lưu lượng tràn bờ .............................................24 1.3 Khoảng trống trong nghiên cứu dự báo, cảnh báo lũ quét theo thời gian thực và định hướng nghiên cứu của Luận án.....................................................................29 1.3.1 Khoảng trống trong nghiên cứu ................................................................ 29 1.3.2 Định hướng nghiên cứu của luận án .........................................................31 1.4 Kết luận Chương 1 ........................................................................................... 33 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP CẢNH BÁO LŨ QUÉT CHO LƯU VỰC NHỎ SÔNG MIỀN NÚI .......................................................35 2.1 Cơ sở khoa học xây dựng phương trình thực nghiệm tính toán lưu lượng tràn bờ 35 2.1.1 Xác định ngưỡng tràn bờ từ dấu hiệu nhận biết trên thực địa...................35 2.1.2 Xây dựng tương quan giữa mực nước và lưu lượng cho các vị trí điều tra khảo sát ..................................................................................................................36 2.1.3 Xây dựng phương trình thực nghiệm tính toán lưu lượng tràn bờ ............37 i
2.2 Xây dựng mô hình toán mưa - dòng chảy kết hợp với dữ liệu lượng mưa theo thời gian thực để tính toán cập nhật liên tục hiện trạng của lưu vực.........................38 2.2.1 Cấu trúc mô hình toán (CTM) ...................................................................41 2.2.2 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình ....................................................................53 2.3 Phương pháp tính toán ngưỡng mưa định hướng có khả năng sinh lũ quét (FFG) và chỉ số mức độ nguy cơ xảy ra lũ quét (FFT) .............................................55 2.3.1 Xác định ngưỡng mưa FFG.......................................................................57 2.3.2 Xác định chỉ số FFT (Mức độ nguy cơ đe dọa lũ quét) ............................ 59 2.4 Kết luận Chương 2 ........................................................................................... 62 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CẢNH BÁO LŨ QUÉT CHO LƯU VỰC NẬM LY VÀ NÀ NHÙNG TỈNH HÀ GIANG .............................. 64 3.1 Kết quả xây dựng phương trình thực nghiệm xác định lưu lượng tràn bờ cho 2 lưu vực sông miền núi Nậm Ly và Nà Nhùng tỉnh Hà Giang ...................................64 3.1.1 Khảo sát xác định mực nước tràn bờ và lưu lượng tràn bờ tương ứng .....64 3.1.2 Xây dựng phương trình thực nghiệm xác định lưu lượng tràn bờ ............70 3.1.3 Nhận xét kết quả ........................................................................................72 3.2 Kết quả xây dựng mô hình toán thủy văn cho lưu vực nghiên cứu .................73 3.2.1 Giao diện, công cụ mô hình ......................................................................74 3.2.2 Khối tính toán ............................................................................................ 76 3.2.3 Số liệu đầu vào mô hình: ...........................................................................80 3.2.4 Kết quả của mô hình .................................................................................80 3.2.5 Đánh giá độ tin cậy của mô hình ............................................................... 81 3.2.6 Ứng dụng mô hình CTM cho lưu vực nghiên cứu Nậm Ly và Nà Nhùng 82 3.3 Kết quả đánh giá sự phù hợp của mô hình mưa dự báo GEM cho lưu vực nghiên cứu .................................................................................................................92 3.4 Ứng dụng các kết quả nghiên cứu để cảnh báo thử nghiệm lũ quét cho lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng ................................................................................................ 94 3.4.1 Giao diện chính công cụ cảnh báo cho lưu vực nghiên cứu .....................94 3.4.2 Trang chủ...................................................................................................94 3.4.3 Trạm đo mưa tự động ................................................................................99 3.4.4 Cảnh báo ..................................................................................................101 3.5 Kết quả dự báo thử nghiệm ............................................................................101 ii
3.6 Kết luận Chương 3 .........................................................................................105 KẾT LUẬN .................................................................................................................107 1. Những kết quả đạt được ......................................................................................107 2. Những đóng góp mới ...........................................................................................108 3. Tồn tại và hướng đề xuất .....................................................................................108 4. Kiến nghị .............................................................................................................108 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................110 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................111 PHỤ LỤC ....................................................................................................................118 iii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mô tả các loại cao trình bãi khác nhau ............................................................. 7 Hình 1.2 Mô tả ngưỡng tràn bờ .......................................................................................9 Hình 1.3 Sơ đồ mô phỏng xác định ngưỡng mưa kích hoạt ..........................................12 Hình 1.4 Sơ đồ mô phỏng xác định ngưỡng mưa kích hoạt ..........................................13 Hình 1.5 Mối quan hệ giữa lưu lượng tràn bờ với lưu lượng lượng trung bình năm ....25 Hình 1.6 Sơ đồ hương nghiên cứu phương pháp cảnh báo lũ quét cho lưu vực sông miền núi .........................................................................................................................32 Hình 2.1 Sơ đồ phương pháp xác định lưu lượng tràn bờ .............................................35 Hình 2.2 Một số dấu hiệu nhận biết cao trình mực nước tràn bờ điển hình ..................36 Hình 2.3 Sơ đồ mô phỏng cách xác định giá trị FFG ....................................................39 Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc mô hình toán thủy văn xây dựng cho lưu vực nghiên cứu .....41 Hình 2.5 Sơ đồ tính toàn dòng chảy cửa ra lưu vực ......................................................42 Hình 2.6 Đường quá trình cường độ thấm Kt ............................................................... 44 Hình 2.7 Quá trinh mưa, tổn thất dòng chảy của một trận mưa ....................................45 Hình 2.8 Các thông số phương pháp cắt nước ngầm ....................................................48 Hình 2.9 Sơ đồ tính toán dòng chảy theo phương pháp bể chứa tuyến tính .................49 Hình 2.10 Sơ đồ biên dịch ngôn ngữ Java .....................................................................55 Hình 2.11 Mưa tại thời điểm hiện tại và đường quá trình dòng chảy gây ra bởi mưa thực đo ........................................................................................................................... 56 Hình 2.12 mô tả cách xác đinh FFG để tạo ra lưu lượng tràn bờ ..................................57 Hình 2.13 Sơ đồ xác định ngưỡng mưa FFG ................................................................ 58 Hình 2.14 Các ô lưới của mô hình GEM trong nghiên cứu ..........................................60 Hình 3.1 Xác định mực nước tràn bờ theo các dấu hiệu nhận biết tại mặt cắt N4 .......65 Hình 3.2 Xác định mực nước tràn bờ theo các dấu hiệu nhận biết tại mặt cắt N5 .......65 Hình 3.3 Xác định mực nước tràn bờ theo các dấu hiệu nhận biết tại mặt cắt N6 ........66 Hình 3.4 Xác định mực nước tràn bờ theo các dấu hiệu nhận biết tại mặt cắt N7 ........66 Hình 3.5 Mặt cắt khảo sát với các dấu hiệu mực nước tràn bờ (1) ............................... 67 Hình 3.6 Mặt cắt khảo sát Q5 với các dấu hiệu mực nước tràn bờ (2) và (6) ...............68 Hình 3.7 Đường quan hệ Q = f(Z) từ dữ liệu khảo sát thực tế của 2 mặt cắt Q14 và Q5 .......................................................................................................................................68 Hình 3.8 Bản đồ địa hình và sử dụng đất lưu vực Nậm Ly (trái) và Nà Nhùng (phải) .70 Hình 3.9 Giao diện mô hình CTM.................................................................................75 Hình 3.10 Giao diện các công cụ mô hình CTM........................................................... 76 Hình 3.11 Giao diện lựa chọn phương pháp tính toán tổn thất .....................................77 Hình 3.12 Giao diện đặc trưng phương pháp tính thấm đường cong CN .....................77 Hình 3.13 Giao diện cửa sổ khai báo các thông số tính toán chuyển đổi dòng chảy từ mưa hiệu quả theo phương pháp đường lũ đơn vị SCS.................................................78 iv
Hình 3.14 Giao diện cửa sổ khai báo các thống số tính toán dòng ngầm theo phương pháp đường cong nước rút ............................................................................................. 79 Hình 3.15 Giao diện cửa sổ khai báo thông số phương pháp diễn toán dòng chảy theo phương pháp hồ chứa tuyến tính (linear) và Muskingum .............................................79 Hình 3.16 Giao diện nhập dữ liệu đầu vào mô hình ......................................................80 Hình 3.17 Giao diện kết quả mô hình dưới dạng biểu đồ .............................................80 Hình 3.18 Giao diện kết quả mô hình dưới dạng bảng biểu số liệu .............................. 81 Hình 3.19 So sánh kết quả tính toán dòng chảy lưu vực Nậm Ly 1 giữa 2 mô hình CTM và mô hình Hec - Hms .........................................................................................81 Hình 3.20 DEM địa hình khu vực nghiên cứu .............................................................. 85 Hình 3.21 Phân chia các tiểu lưu vực ............................................................................86 Hình 3.22 Phân chia đa giác theisson cho các lưu vực tính toán ..................................87 Hình 3.23 Kết quả hiệu chỉnh mô hình cho lưu vực Nậm Ly 1 ....................................90 Hình 3.24 Kết quả kiểm định mô hình cho lưu vực Nậm Ly 1 .....................................90 Hình 3.25 Phân bố lượng mưa ngày từ ngày 5 đến ngày 8 tháng 7 năm 2020 trên các lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng ......................................................................................93 Hình 3.26 Hàm phân bố mưa tích lũy của mô hình và lượng mưa đo tự động trên các lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng trong thời gian từ ngày 19 đến ngày 22 tháng 7 năm 2020 ............................................................................................................................... 93 Hình 3.27 Giao diện menu hệ thống cảnh báo lũ quét cho khu vực nghiên cứu...........94 Hình 3.28 Giao diện menu trang chủ.............................................................................95 Hình 3.29 Giao diện hiển thị thanh công cụ ..................................................................95 Hình 3.30 Giao diện menu cảnh báo .............................................................................96 Hình 3.31 Giao diện chi tiết cảnh báo lũ tiểu lưu vực trên địa bàn xã ..........................96 Hình 3.32 Giao diện chi tiết cảnh báo lũ tiểu lưu vực trên địa bàn thôn.......................97 Hình 3.33 Giao diện thống kê ngưỡng cảnh báo mới nhất............................................97 Hình 3.34 Giao diện thống kê dữ liệu dòng chảy mới nhất ..........................................98 Hình 3.35 Giao diện bản tin cảnh báo lũ quét ............................................................... 98 Hình 3.36 Giao diện bản đồ cảnh báo lũ quét ............................................................... 99 Hình 3.37 Giao diện trạm đo mưa tự động ....................................................................99 Hình 3.38 Giao diện thông tin lượng mưa mới nhất ...................................................100 Hình 3.39 Giao diện để xuất dữ liệu lượng mưa .........................................................100 Hình 3.40 Giao diện thông tin chi tiết trạm .................................................................101 Hình 3.41 Giao diện cảnh báo .....................................................................................101 Hình 3.42 Sự phân bố lượng mưa theo thời gian trong 3 trận mưa trên khu vực nghiên cứu ...............................................................................................................................102 Hình 3.43 Tình hình ngập lụt tại thị trấn Quảng Nguyên (lưu vực Nậm Ly) trong đợt lũ ngày 13-14/6/2020 .......................................................................................................103 Hình 3.44 Tình hình ngập lụt tại thị trấn Quảng Nguyên (lưu vực Nậm Ly) trong đợt lũ ngày 06/7/2020 ............................................................................................................103 v
Hình 3.45 Hình ảnh thôn Cốc Nam, xã Bản Nhùng (lưu vực Nà Nhùng) sau trận lũ ngày 21/7/2020 ............................................................................................................104 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Vị trí khảo sát và dấu hiệu tràn bờ .................................................................69 Bảng 3.2 Mức độ ảnh hưởng của biến độc lập đến lưu lượng tràn bờ ..........................71 Bảng 3.3 Phương trình tương quan đa biến xác định lưu lượng tràn bờ từ các đặc trưng lưu vực ........................................................................................................................... 72 Bảng 3.4 Các phương pháp tính toán trong mô hình CTM ...........................................74 Bảng 3.5 Tỉ lệ trọng số trạm mưa của các tiểu lưu vực Nậm Ly ..................................88 Bảng 3.6 Tỉ lệ trọng số trạm mưa của các tiểu lưu vực Nà Nhùng ............................... 89 Bảng 3.7 Thông số mô hình của các tiểu lưu vực .........................................................90 Bảng 3.8 Thông số mô hình của các tiểu lưu vực .........................................................91 Bảng 3.9 Phân tích đánh giá hệ thống cảnh báo với 3 trận lũ tháng 6 và 7 năm 2020 trên lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng .............................................................................104 vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ BĐKH Biến đổi khí hậu Bộ NN&PTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn DEM Mô hình số độ cao FFG Ngưỡng cảnh báo lũ quét (Flash Flood Guidance) FFGS Hệ thống cảnh báo lũ quét (Flash Flood Guidance System) FFPI Chỉ số tiềm năng lũ quét (Flash flood potential index) FFT Mức độ nguy cơ đe dọa lũ quét (Flash Flood Threat) GEM Mô hình đa quy môi trường toàn cầu (The Global Environment Multiscale Model) GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System) KTTV Khí tượng thủy văn Qbf Lưu lượng tràn bờ (Bankfull Discharge) SBF Ngưỡng tràn bờ (Bankfull stage) WMO Tổ chức khí tượng thế giới (World Meteorological Organization) vii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết đề tài Lũ quét là một loại hình tai biến thiên nhiên đã và đang xảy ra ngày càng gia tăng ở hầu khắp các lưu vực sông suối miền núi trên thế giới, đặc biệt là các lưu vực nhiệt đới, cận nhiệt đới vùng núi phụ cận dãy Hymalaya thuộc Ấn Độ, ở Trung Quốc, Pakistan, Thái Lan, Nepan, Indonesia, Philippines, Malayxia, Nhật Bản, Hàn Quốc, Việt Nam,.. Tại Việt Nam, theo thống kê của Tổng cục phòng chống thiên tai trung bình mỗi năm xảy ra khoảng 10-15 trân lũ quét. Bốn khu vực tại Việt Nam thường xuyên xảy ra lũ quét là vùng núi Bắc Bộ, Trung Bộ, Tây Nguyên và vùng Đông Nam Bộ. Phần lớn các trận lũ quét, sạt lở đất đều xảy ra ở khu vực miền nùi hẻo lánh, dân cư thưa thớt, tuy nhiên có những trân lũ quét xảy ra có sức tàn phá lớn mang tính huỷ diệt gây tổn thất lớn về tính mạng và tài sản của người dân. Trong những năm gần đây độ lớn, tần suất, mức độ phức tạp của hiện tượng lũ quét có xu hướng gia tăng và xuất hiện ngày càng nghiêm trọng hơn. Cùng với đó, thiệt hại do lũ quét gây ra trong những năm vừa qua đang có xu thế cao hơn thập niên trước. Trong gần 20 năm qua, theo ghi nhận của Tổng cục phòng chống thiên tai các tỉnh miền núi phía Bắc xảy ra trên 300 trận lũ quét với quy mô và phạm vi ngày càng lớn, gây thiệt hại nặng nề về người, tài sản và cơ sở hạ tầng. Từ năm 2005 đến nay đã có nhiều trân lũ quét đặc biệt lớn gây thiệt hại rất lớn đến tính mạng và tài sản của người dân như ở Lai Châu (2012, 2018), Yên Bái (2005, 2011), Lào Cai (2008), Bắc Cạn (2009), Nghệ An (2007, 2016), Đắc Lắk (2001), Kon Tum (2009), Hòa Bình (2011), Hà Giang (2012 – 2020). Một trong những tỉnh chịu thiệt hại nặng nề của lũ quét là Hà Giang. Theo báo cáo công tác phòng, chống thiên tai năm 2019 của Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, trong 5 năm qua, tỉnh Hà Giang đã xảy ra 15 trận lũ quét làm chết 70 người, 01 người mất tích, bị thương 82 người; Làm sập đổ hư hỏng gần 19.500 nhà dân; hơn 3.853ha rau, hoa màu các loại; 12.250 ha lúa. Ngô bị thiệt hại…, tổng thiệt hại ước tính 1.500 tỷ 1
đồng. Các trận lũ điển hình là lũ quét xảy ra tại huyện Vị Xuyên ra vào trung tuần tháng 7/2013 làm bị thương 03 người; 43 nhà phải dời; vùi lấp 21,6 ha lúa; cuốn trôi 8,64 tấn thóc,lúa; làm chết nhiều gia súc, gia cầm,… và hư hỏng các công trình thủy lợi, giao thông, và nhiều công trình phúc lợi xã hội khác; trung tuần tháng 7/2014 trên địa bàn huyện Hoàng Su Phì đã xảy ra đợt sạt lở đất làm 07 người chết; 02 người bị thương; trận lũ ống ngày 7/9/2015 tại huyện Vị Xuyên đã cuốn trôi 04 người trong một gia đình và nhà cửa, gia súc… Ngoài ra các loại hình thiên tai trên còn gây hư hỏng nhiều công trình phúc lợi xã hội. Mức độ thiệt hại về người do lũ quét đều vượt xa so với các thiên tai khác như bão, lũ và tập trung chủ yếu xảy ra ở khu vực dân cư vùng sâu, vùng xa, nơi sinh sống chủ yếu là cộng đồng các dân tộc ít người. Thực tế đặt ra nhu cầu rất cần thiết và cấp bách phải có các giải pháp cảnh báo sớm lũ quét để giảm thiểu tác hại của lũ quét bằng mọi khả năng, trước hết tạo một môi trường sống an toàn hơn cho cộng đồng dân cư và cung cấp cho họ các thông tin về nguy cơ lũ quét để chủ động phòng tránh. Trước đây công tác cảnh báo, dự báo lũ quét vẫn dựa trên các mô hình dự báo tĩnh (với các kịch bản đối phó được xây dựng trước) nhưng thiếu tính khả thi vì chậm số liệu đo mưa trong thực tế hoặc vận hành thủ công, không có tính liên tục, tự động. Do đó, phương pháp cảnh báo theo thời gian thực nên được nghiên cứu vì xét được đến ảnh hưởng tích lũy theo thời gian và đưa ra những cảnh báo sát với thực tế hơn ở những thời điểm khác nhau trong mùa lũ. Các phương pháp cảnh báo tức thời đã được áp dụng ở nhiều nước trên thế giới cũng như trong một số nghiên cứu của Việt Nam. Tuy nhiên chưa có những nghiên cứu tập trung cho những khu vực nhỏ, cụ thể đặc biệt là các lưu vực sông miền núi nơi có ít trạm đo đạc khí tượng thủy văn, cách tiếp cận chưa xem xét các yếu tố gắn với đặc trưng của khu vực nghiên cứu để nâng cao độ chính xác của công tác cảnh báo, dự báo. Xuất phát từ thực tế trên tác giả đã lựa chọn hướng nghiên cứu “Nghiên cứu phương pháp cảnh báo lũ quét cho lưu vực nhỏ miển núi và áp dụng thử nghiệm cho 2 lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng, tỉnh Hà Giang”. 2
2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu phương pháp cảnh báo lũ quét cho lưu vực nhỏ miền núi và áp dụng thử nghiệm cho 2 lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng tỉnh Hà Giang Mục tiêu cụ thể: Xây dựng phương trình thực nghiệm xác định lưu lượng tràn bờ cho lưu vực nhỏ miền núi; Xác định ngưỡng mưa định hướng sinh lũ quét (FFG) dựa trên lưu lượng tràn bờ và trạng thái lưu vực tính toán từ mô hình thủy văn tự xây dựng cho lưu vực nghiên cứu; Ứng dụng phương pháp cảnh báo lũ quét cho lưu vực sông miền núi vào công cụ cảnh báo lũ quét cho lưu vực nghiên cứu Nậm Ly và Nà Nhùng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của luận án tại các lưu vực nhỏ sông miền núi, nơi ít có các trạm quan trắc đo đạc, nghiên cứu điển hình cho 2 lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng tỉnh Hà Giang Đối tượng nghiên cứu của luận án: lưu lượng tràn bờ, ngưỡng mưa sinh lũ quét FFG, phương pháp và công cụ cảnh báo lũ quét. 4. Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp điều tra khảo sát thực địa nhằm xây dựng quan hệ giữa lưu lượng và mực nước, xác định mực nước tràn bờ theo các dấu hiệu nhận biết.  Phương pháp phân tích thống kê được sử dụng để xây dựng phương trình thực nghiệm tính lưu lượng tràn bờ;  Phương pháp mô hình toán: sử dụng mô hình toán thủy văn được phát triển cho lưu vực nghiên cứu để xác định giá trị dòng chảy ở các cửa ra tiểu lưu vực làm cơ sở tính toán xác định ngưỡng mưa sinh lũ quét FFG;  Phương pháp viễn thám và GIS được sử dụng để xác định các đặc trưng lưu vực từ dữ liệu bản đổ, mô hình số độ cao, ảnh vệ tinh … 3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Luận án đã xác lập được cơ sở khoa học và thực tiễn trong xây dựng phương trình thực nghiệm tính toán lưu lượng tràn bờ cho các lưu vực nhỏ miền núi và đã xây dựng thành công phương trình này cho 2 lưu vực sông Nậm Ly và Nà Nhùng tỉnh Hà Giang. Luận án đã áp dụng phương pháp cảnh báo lũ quét cho các lưu vực miền núi cho 2 lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng bằng việc tích hợp mô hình thủy văn tự phát triển với xây dựng phương trình thực nghiệm xác định lưu lượng tràn bờ làm cơ sở xác định ngưỡng mưa định hướng sinh lũ quét FFG nhằm nâng cao khả năng dự báo, cảnh báo lũ quét cho 2 lưu vực trên, đồng thời có thể mở rộng cho các lưu vực sông miền núi khác Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án là tài liệu tham khảo có giá trị và là công cụ hỗ trợ cho công tác quản lý của các sở ban ngành địa phương và các ban phòng chống và giảm nhẹ thiên tai 6. Kết cấu của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và phụ lục, nội dung nghiên cứu của luận án được bố cục thành 3 chương: Chương 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu lũ quét và dự báo lũ quét: tổng quan các nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về lũ quét và cảnh báo lũ quét, các khoảng trống trong nghiên cứu và hướng nghiên cứu đề xuất của tác giả Chương 2. Nghiên cứu phương pháp cảnh báo lũ quét cho lưu vực sông miền núi: Trình bày cơ sở nghiên cứu, phương pháp cảnh báo lũ quét cho lưu vực nhỏ miền núi Chương 3. Kết quả nghiên cứu phương pháp cảnh báo lũ quét cho 2 lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng – tỉnh Hà Giang: ứng dụng phương pháp nghiên cứu trình bày trong chương 2 cho 2 lưu vực điển hình Nậm Ly và Nà Nhùng, các kết quả đạt được của nghiên cứu. 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ LŨ QUÉT VÀ CẢNH BÁO, DỰ BÁO LŨ QUÉT 1.1 Một số khái niệm sử dụng trong Luận án 1.1.1 Khái niệm về lũ quét Khái niệm về lũ quét cho đến nay vẫn chưa thống nhất về một một định nghĩa chung do lũ quét là một quá trình tự nhiên phức tạp về nguyên nhân, thành phần, sự xuất hiện và còn do bởi cách tiếp cận khác nhau của các nghiên cứu. a. Ngoài nước: 1. Theo WMO (1981) [1]: lũ quét (flash flood) Một trận lũ xảy ra trong thời gian ngắn với đỉnh lũ tương đối lớn. 2. Theo Hội khí tượng Mỹ (AMS) (2005) [2]: lũ quét là một trận lũ mà thời gian lũ lên và thời gian lũ xuống rất nhanh và có ít hoặc không có những cảnh báo trước, thông thường nó là kết quả của những đợt mưa có cường độ lớn rơi trên toàn lưu vực nhỏ. 3. Theo Vụ Nhân đạo – Liên Hiệp Quốc DHA (1992) [3]: lũ quét là lũ có thời đoạn ngắn và đỉnh lũ cao, khi có bão, mưa lớn tập trung nhanh sinh ra lũ trên các sườn dốc, sóng lũ có thể truyền rất nhanh gây bất ngờ và có sức tàn phá lớn. Do lũ hình thành trong một thời gian ngắn nên việc dự báo rất khó khăn. 4. Theo Cơ quan Dịch vụ Thời tiết Quốc gia Mỹ (US NWS) (2018) [4]: lũ quét là một dòng chảy nhanh và cực mạnh do khối nước cao tới khu vực thường xuyên khô hoặc sự dâng mực nước rất nhanh trong suối, kênh, sông vượt quá mức lũ định trước và thường xảy ra trong vòng 6 giờ của sự cố (mưa lớn, vỡ đập, tan băng). Tuy nhiên, ngưỡng thời gian thực có thể khác nhau theo từng vùng, từng lưu vực vực. Các trận lũ đang diễn ra làm tăng mạnh khả năng lũ quét khi gặp mưa lớn làm dâng đột ngột mức lũ. 5. Theo Georgakakos (1984) [5]: lũ quét thường xảy ra ở các lưu vực miền núi có diện tich lưu vực từ vài chục km2 đến vài trăm km2. Lũ quét có thời gian đạt đỉnh ít hơn 3 giờ trong lưu vực 5-10 km2 ở Anh, trong khi ở Mỹ thời gian đạt đỉnh lên đến 6 giờ đối với lưu vực 400 km2 được coi là lưu vực lũ quét tiềm năng. 5
b. Trong nước: 1. Theo Quyết định số 46/2014/QĐ-TTg ngày 15/8/2014 của Thủ tướng chính phủ [6] quy định về dự báo, cảnh báo và truyền tin thiên tai: Lũ quét là một loại lũ xảy ra bất ngờ trên các lưu vực sông suối nhỏ miền núi, dòng chảy xiết, thường kèm theo bùn đá, lũ lên nhanh, xuống nhanh, có sức tàn phá lớn. 2. Theo Cao Đăng Dư và nnk (2000) [7]: cho rằng: lũ quét là một loại lũ lớn, xảy ra bất ngờ, duy trì trong một thời gian ngắn (lên nhanh và xuống nhanh) và có sức tàn phá lớn. 3. Theo Vũ Minh Cát và nnk (2007) [8]: lũ quét là loại lũ lớn, xảy ra bất ngờ trên một diện tích nhỏ, duy trì trong một thời gian ngắn, và có sức tàn phá lớn. 4. Theo Ngô Đình Tuấn (2006) [9]: lũ quét là loại lũ có tốc độ rất lớn (quét), xảy ra bất thần (thường xuất hiện vào ban đêm; nơi xảy ra có khi mưa lũ bé – lũ ống...) trên một diện tích nhỏ hay lớn, duy trì trong một thời gian ngắn hay dài (tùy từng trận mưa lũ), mang nhiều bùn cát, có sức tàn phá lớn. 5. Theo Lã Thanh Hà và nnk (2009) [10]: lũ quét là lũ hình thành do mưa kết hợp với các tổ hợp bất lợi về điều kiện mặt đệm ( địa hình, địa mạo, lớp phủ…) sinh ra dòng chảy bùn đá trên các sườn dốc (lưu vực, sông suối), dòng chảy lũ truyền rất nhanh gây ra những tàn phá bất ngờ và nghiêm trọng ở khu vực sườn núi và dọc sông mà nó tràn qua. 6. Theo Nguyễn Hiệu (2008) [11]: lũ quét là lũ xuất hiện đột ngột, hoạt động trong khoảng thời gian ngắn, lan truyền với tốc độ cao và có sức công phá rất lớn. Từ những liệt kê kể trên nhận thấy rằng trong tất cả các định nghĩ về lũ quét, hầu hết các tác giả, tổ chức đều nhận định chung các đặc điểm của lũ quét là một trận lũ xuất hiện nhanh, bất ngờ trên các lưu vực sông suối miền núi từ vài chục đến vài trăm km2. Trong nghiên cứu của mình, tác giả tiếp cận: lũ quét là những trận lũ xảy ra bất ngờ trong thời gian ngắn với đỉnh lũ tương đối lớn, xuất hiện trên sông và gây tràn bờ. Đây cũng là khái niệm phù hợp với định nghĩa của WMO về lũ quét. Định nghĩa này tạo cơ sở thuận lợi, có chỉ tiêu rõ ràng để thực hiện các cảnh báo về lũ quét. 6
1.1.2 Khái niệm về tràn bờ, lưu lượng tràn bờ Trong luận án tác giả tiếp cận lũ quét là những trận lũ xảy ra bất ngờ trong thời gian ngắn với đỉnh lũ tương đối lớn, xuất hiện trên sông và gây tràn bờ. Theo hướng tiếp cận này yếu tố tràn bờ là cơ sở quan trọng để cảnh báo lũ quét. Do đó khái niệm “tràn bờ (bankfull)” và lưu lượng tràn bờ (Q bankfull), yếu tố đặc trưng cho nó có ý nghĩa rất quan trọng đối với nghiên cứu. Tràn bờ được hiểu là hiện tượng dòng sông/dòng suối bắt đầu tràn bờ tự nhiên lên vùng đồng bằng lũ lụt đang hoạt động Wolman và nnk (1957) [12], Woodyer (1968) [13] và Nixon (1959) [14], để đặc trưng cho hiện tượng tràn bờ ta có ngưỡng tràn bờ (SBF) được định nghĩa là độ cao của vùng ngập lụt đang hoạt động. Williams (1978) [15], Wolman và nnk (1957) [12], Schumm (1960) [16] và Bray (1972) [17] cho rằng ngưỡng tràn bờ là độ cao của "bãi thấp", trong khi đối với Woodyer (1968) [13], Bray (1972) [18] thì ngưỡng tràn bờ là độ cao của "bãi giữa" đối với các sông có ba hoặc bốn các bề mặt tràn (Hình 1.1). Hình 1.1 Mô tả các loại cao trình bãi khác nhau Theo nghiên cứu của Wolman và nnk [12], [19], [20] lại xem ngưỡng tràn bờ là độ cao trung bình của các bề mặt cao nhất của các bờ chắn của sông hoặc kênh. Schumm (1960) [16] định nghĩa ngưỡng tràn bờ cho rằng đó là chiều cao của giới hạn dưới của thảm thực vật lâu năm, thường là cây (tương tự trong nghiên cứu Bray (1972) [17]). Bên cạnh đó cũng có tác giả tiếp cận xem ngưỡng tràn bờ là độ cao của giới hạn trên của các hạt có kích thước như cát trong trầm tích ranh giới Leopold (1967) [21]. Cuối cùng, một số 7
tác giả định nghĩa ngưỡng tràn bờ tương ứng đến sự thay đổi của bờ sông như thay đổi của mặt cắt ngang sông, Wolman và nnk (1957) và Pickup và nnk (1976) [22] định nghĩa ngưỡng tràn bờ là độ cao mà tại đó tỷ lệ chiều rộng/chiều sâu (W/D) của mặt cắt ngang nhỏ nhất. Đối với phương pháp xác định ngưỡng tràn bờ, Riley (1972) [23] cũng đề xuất đo tỷ lệ chiều rộng/chiều sâu của mặt cắt ở các mực nước khác nhau. Tỷ lệ chiều rộng/chiều sâu giảm khi mực nước ngày càng tăng, và tăng lại với mực nước dâng cao khi dòng chảy qua vùng lũ. Riley (1972) [23] kết luận rằng mực nước tương ứng với điểm chuyển của mối tương quan giữa tỷ lệ chiều rộng/chiều sâu với mức nước là ngưỡng tràn bờ. Tuy nhiên trong thực tế khi mặt cắt ngang của kênh không đều đặn, hoặc các con sông miền núi vùng cao không có đồng bằng lũ lụt, v.v., việc xác định chính xác ngưỡng tràn bờ là khó khăn. Một đặc trưng có nghĩa quan trọng để mô tả về khái niệm tràn bờ là lưu lượng tràn bờ (Q bankfull). Định nghĩa về lưu lượng tràn bờ (Q bankfull) chỉ có một số ít tác giả đưa ra định nghĩa, thậm chí có rất ít mô tả cách tính giá trị của nó. Cách định nghĩa đơn giản và phổ biến trong nhiều nghiên cứu về lưu lượng tràn bờ là phương pháp được mô tả bởi Williams (1978) [15], người đã định nghĩa lưu lượng tràn bờ (Q bankfull) là một dòng chảy chỉ lấp đầy kênh đến độ cao ngang bằng với ngưỡng tràn bờ sông. Vấn đề là trên thực tế, việc xác định chính xác vị trí “bờ sông” gặp rất nhiều khó khăn. Việc đo lường chính xác giá trị tràn bờ là rất khó, vì nó rất hiếm khi xảy ra và khả năng nó xảy ra tại các trạm đo đạc được là rất hiếm. Một cách tiếp cận khác, lưu lượng tràn bờ thường được gọi là “lưu lượng hiệu quả” hoặc “lưu lượng tạo kênh”. Khái niệm “lưu lượng tạo kênh” khó tiếp cận vì không có kênh hình thành đơn lẻ nhưng thay vào đó cách tiếp cận lưu lượng hiệu quả khả thi hơn, dòng chảy có thể được coi là hiệu quả khi có tác dụng trong việc hình thành kênh chính. Một cách thích hợp hơn, lưu lượng tràn bờ có thể được coi là đại diện cho dòng chảy hình thành các kênh sông tự nhiên Emmett (2004) [24]. Trong năm, dòng chảy lũ có tác động di chuyển phù sa và hình thành kênh chính Leopold (1964) [25]. Lũ lớn di chuyển một lượng lớn trầm tích, nhưng chúng rất hiếm; lũ nhỏ thường xuyên xảy ra nhưng di chuyển lượng trầm tích ít hơn Wolman và Miller (1960) [26]. Trong điều kiện trung bình, lưu 8
lượng tràn bờ có thể xảy ra khoảng 1 đến 2 năm một lần. Khi lũ chảy vượt qua các bờ suối, tốc độ giảm đột ngột trên các vùng đồng bằng lũ lụt hoạt động gây ra lắng đọng trầm tích dẫn đến việc hình thành các con đê tự nhiên (Hình 1.2). Hình 1.2 Mô tả ngưỡng tràn bờ Nguồn: Sherwood (2002) [27] Từ dữ liệu thực nghiệm và thực địa chỉ ra rằng vận tốc trên sông kênh tăng lên khi mực nước dâng. Ảnh hưởng đến hình thành kênh là lớn nhất khi mực nước ở độ cao của vùng ngập. Dòng chảy phân tán và ảnh hưởng đến kênh sự hình thành bị suy yếu khi mực nước tăng thêm. Andrew (1980) [28] cũng kết luận rằng lưu lượng tràn bờ tương ứng với dòng chảy khi vận chuyển bùn cát là lớn nhất. Thực sự là hợp lý khi xem xét rằng lưu lượng tràn bờ có thể được sử dụng như là một lưu lượng đặc trưng gắn liền với quá trình hình thành kênh và phụ thuộc vào các đặc trưng của lưu vực. Khi xác định lưu lượng tràn bờ của một đoạn sông. Đoạn sông phải đủ dài, và một số mặt cắt mà mực nước tương ứng của chúng phải được đo đạc đầy đủ để tránh những thiếu sót do sử dụng dữ liệu chỉ có một hoặc hai mặt cắt. Lưu lượng tràn bờ được xác định trực tiếp theo mực nước tương ứng với các cao trình của vùng ngập lụt dọc theo đoạn sông. Phương pháp này tương tự như Leopold (1964) [25] đề xuất. 9
Như vậy có một số khái niệm và cách tiếp cận khác nhau với lưu lượng tràn bờ, nhưng cách tiếp cận dễ hiểu và phổ biến trong nhiều nghiên cứu hiện nay định nghĩa lưu lượng tràn bờ (Q bankfull) là một dòng chảy chỉ lấp đầy kênh đến độ cao ngang bằng với ngưỡng tràn bờ sông và phụ thuộc vào các đặc trưng lưu vực. Đây cũng là cách tiếp cận của tác giả trong nghiên cứu này và là cơ sở để đề xuất phương pháp tính toán lưu lượng tràn bờ cho lưu vực nghiên cứu. 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.2.1 Tổng quan nghiên cứu dự báo, cảnh báo lũ quét 1.2.1.1 Các nghiên cứu trên thế giới Lũ quét là một trong những loại hình thiên tai nguy hiểm nhất và gây thiệt hại nặng nề nhất liên quan đến thời tiết, do đó được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu từ rất sớm, trong thời kỳ đầu nghiên cứu về lũ quét, các tác giả tập trung vào nghiên cứu nguyên nhân hình thành lũ quét và các biện pháp phòng tránh, tiếp theo là những nghiên cứu xây dựng phương pháp cảnh báo lũ quét, nghiên cứu xác định rủi ro lũ quét… Hướng nghiên cứu lũ quét và lũ bùn đá trên thế giới đã được các nhà khoa học Nga (và Liên Xô), các nhà nghiên cứu Pháp, Đức và Thuỵ Sỹ… quan tâm và các hướng nghiên cứu liên quan đến vùng núi Anpơ, Kavkazơ, Kacpat, các vùng khí hậu lục địa khô hạn như Trung Á. Trên cơ sở các công trình công bố, đã có được những kết luận ban đầu về cơ chế hoạt động cũng như những nguyên nhân phát sinh của loại hình thiên tai này. Tại Liên xô: phải kể đến là công trình “Lũ bùn đá và những biện pháp phòng chống” đã phân tích bản chất vật lý, mô hình cơ học, sự phân bố và những tác hại khủng khiếp của trượt lở, lũ bùn đá qua hàng loạt ví dụ cụ thể. Những kết luận về cơ chế hoạt động của dạng thiên tai này đến nay vẫn còn nguyên giá trị: điều kiện tiên quyết để xảy ra Lũ bùn đá điển hình là phải có lượng vật liệu vụn phong phú để khi mưa với cường độ lớn có cơ hội trượt – lở ồ ạt vào địa bàn khô khan. Song, cần nhận xét thêm rằng tất cả đều dừng lại ở những kết luận về bản chất quá trình, về cảnh báo nguy cơ tai biến, các điểm dân cư vẫn cứ tiếp tục bị tàn phá nặng nề, thậm chí bị vùi lấp hoàn toàn, mà hầu như không được báo trước. Điều đó dẫn đến xu hướng nghiên cứu dự báo, cảnh báo lũ quét: 10
Nhiều nghiên cứu phát triển hướng tiếp cận cảnh báo lũ quét theo phân vùng nguy cơ lũ quét được tiến hành dựa trên chỉ số nguy cơ lũ quét FFPI (flash flood potential index). FFPI mô tả định lượng tiềm năng lũ quét của một lưu vực dựa trên những đặc tính tĩnh vốn có của nó như là độ dốc, lớp phủ bề mặt, sử dụng đất, loại và cấu trúc của đất. Phương pháp này được Jeffrey Zogg và Kevin Deitsch (2013) [29] giới thiệu và được nhiều tác giả nghiên cứu ứng dụng như: Greg Smith - vùng Colorado, Mỹ (2003) [30], Brewster - vùng Binghamton, Mỹ (2009) [31], Kruzdlo - vùng Mount Holly, Mỹ 2010 [32] . Phương pháp đơn giản xác định FFPI là sử dụng công nghệ GIS để xây dựng cơ sở dữ liệu (CSDL) GIS gồm 4 lớp cơ bản ở dạng raster là: độ dốc, thảm phủ thực vật/sử dụng đất, loại đất, mật độ rừng/thực vật. Theo các tác giả, mặc dù FFPT có ưu điểm sử dụng đơn giản, không đòi hỏi dữ liệu phức tạp, nhưng nó chỉ là một công cụ bổ sung chứ không phải là công cụ toàn năng và có nhược điểm là không xét đến điều kiện bề mặt tức thời (như độ ẩm và hiện trạng dòng chảy sông suối). Do vây, kết quả chỉ được xem như một thông tin nền tham khảo có giá trị. Hướng nghiên cứu trên mới chỉ dừng lại đưa ra các bản đồ tĩnh đánh giá tiềm năng nguy cơ lũ quét cho các vùng, kết quả chỉ đánh giá về mặt định tính, chưa đánh giá mức độ rủi ro do lũ quét gây ra đối với các thành phần tự nhiên - kinh tế, xã hội. Một số các nhà Khoa học dựa vào ngưỡng mưa để cảnh báo lũ quét. Phương pháp truyền thống trong cảnh báo lũ quét được xây dựng trên các quan hệ thống kê giữa các tham số lượng mưa trong lịch sử và sự xuất hiện lũ quét; các tham số mưa gồm lượng mưa kỳ trước, lượng mưa lũy tích, cường suất và thời đoạn mưa. Ngưỡng kích hoạt mưa được thiết lập dựa trên lượng mưa lũy tích gây nguy hiểm (Hình 1.3) 11