Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 3
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: Tóm tắt 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 Ngành: Thủy văn học Mã số ngành: 9440224 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Trần Kim Châu Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Nguyễn Bá Quỳ Phản biện 1: GS.TS Vũ Minh Cát, Hội Thủy lợi Việt Nam Phản biện 2: GS.TS Huỳnh Thị Lan Hương, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội Phản biện 3: TS. Trịnh Quang Toàn, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... vào lúc giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia, - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi
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. 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. 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). 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 1
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 dự án 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. Mục tiêu nghiên cứu 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 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của luận án tại các lưu vực sông miền núi, nghiên cứu điển hình cho 2 lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng tỉnh Hà Giang Đối tượng nghiên cứu của luận án: là lưu lượng tràn bờ, ngưỡng mưa sinh lũ quét FFG, phương pháp và công cụ cảnh báo lũ quét theo thời gian thực. 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 2
vực làm cơ sở tính toán xác định ngưỡng mưa sinh lũ quét FFG theo thời gian thực;  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 … 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 lưu lượng tràn bờ cho các lưu vực sông 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, báo cáo tổng kết kết quả nghiên cứu của luận án được bố cục thành 3 chương: 3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ LŨ QUÉT VÀ CẢNH BÁO, DỰ BÁO LŨ QUÉT 1.1 Các nghiên cứu trên thế giới Các nghiên cứu cảnh báo lũ quét trên thế giới cũng như tại Việt Nam tập trung theo các hướng sau: a. Xây dựng bản đồ tiềm năng lũ quét dựa trên cơ sở nghiên cứu phân tích các nhân tố hình thành từ đó đưa ra các bản đồ nguy cơ rủi ro. Nhiều nghiên cứu tiếp cân cảnh báo lũ quét theo hướng phân vùng nguy cơ lũ quét 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 tượng của đất. Phương pháp này được Jeffrey Zogg và Kevin Deitsch (2013) [1] giới thiệu và được nhiều tác giả nghiên cứu ứng dụng như: Greg Smith (2003) [2], Brewster (2009) [3], Kruzdlo 2010 [4]. 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, phủ thực vật/sử dụng đất, đất, mật độ rừng/thực vật và trung bình hóa số học. b. Dựa vào ngưỡng mưa để cảnh báo lũ quét Forestieri (2016) [5] sử dụng mô hình TOPDM để đánh giá ngưỡng mưa nhằm xác định rủi ro lũ quét cho lưu vực Sicilian với điều kiện ban đầu cố định. Việc sử dụng mô hình toán đã đem lại nhưng kết quả nhất định. Tuy nhiên nhược điểm của cách tiếp cận này là không quan tâm đến sự thay đổi theo thời gian của điều kiện lưu vực. Ngoài phương pháp xác định ngưỡng mưa/dòng chảy sinh lũ quét đề cập ở trên thì phương pháp Đường tới hạn (CL) được sử dụng tại Nhật Bản trong “Hướng dẫn xác định ngưỡng mưa cho cảnh báo và di dân khỏi các tai biến trầm tích” của Bộ Xây dựng Nhật Bản vào năm 2005, để xác định ngưỡng cảnh báo lũ và lũ quét. Phương pháp này được sử dụng để dự báo sự xuất hiện của lũ quét sử dụng 4
các chỉ số mưa (cường độ và tổng lượng mưa) rút ra từ số liệu về cường độ mưa và tổng lượng mưa thu thập được từ các trân lũ quét đã xảy ra trong khu vực nghiên cứu. c. Nghiên cứu cảnh báo lũ quét dựa trên ngưỡng mưa sinh lũ quét FFG (Flash Flood Guidance) và xác định ngưỡng dòng chảy tràn bờ (bankfull discharge - Qbf) Nghiên cứu dự báo lũ quét dựa trên ngưỡng mưa định hướng (FFG) đã được nhiều tác giả nghiên cứu và phát triển. Timothy L.s. và nnk (1992) [6] đã xác định ngưỡng sinh lũ quét dựa ngưỡng mưa FFG; Konstantine và nnk (2006), (2013), (2018) [7] [8] [9] đã phát triển mô hình của Timothy L.s. và nnk (1992) [6] và triển khai ứng dụng cho vùng có diện tích từ 2.000 - 4.000 km2 để tính nguy cơ lũ quét theo tần suất mưa thời đoạn (1,2,4, 5 và 6 giờ). Mô hình ứng dụng cách tiếp cận ngưỡng mưa thời đoạn và tiểu lưu vực, xác định lũ theo ngưỡng mưa phục vụ cảnh báo lũ quét có thể xảy ra tại mỗi tiểu lưu vực nếu mưa thời đoạn vượt ngưỡng chịu đựng của tiểu lưu vực d. Xây dựng các hệ thống giám sát và cảnh báo sớm lũ quét do mưa kích hoạt Hệ thống cảnh báo lũ quét Alert của Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) Hệ thống ALERT ban đầu được phát triển vào những năm 1970 theo dự báo sông California-Nevada, bao gồm các thiết bị cảm biến khí tượng và thủy văn tự động báo cáo sự kiện, thiết bị truyền thông và phần mềm và phần cứng máy tính. Trong hình thức đơn giản nhất của nó, cảm biến ALERT truyền tín hiệu mã hoá, thường là thông qua radio tần số rất cao (VHF) và cực tần cao (UHF). WMO đã khuyến cáo thành lập các hệ thống cảnh báo lũ quét ALERT và đã thành công ở Mỹ và một số nước khác. Hệ thống Giám sát và dự báo lũ quét (FFMP) Hệ thống Theo dõi và Dự báo Lũ lụt Flash của Hoa Kỳ (NWMP) được tích hợp đa cảm biến để phát hiện, phân tích, theo dõi lượng mưa và đưa ra cảnh báo nhanh hỗ trợ công tác cảnh báo lũ quét. Hệ thống FFMP được triển khai trên toàn nước 5
Mỹ. Lượng mưa lưu vực trung bình dựa trên ước tính lượng mưa từ radar Doppler, được so sánh với lượng mưa định hướng có khả năng sinh lũ quét (FFG) để xác định nguy cơ và mức độ nghiêm trọng của lũ quét. 1.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam Lã Thanh Hà (2009) [10] đã nghiên cứu, xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ lũ quét phục vụ công tác phòng tránh lũ quét cho tỉnh Yên Bái Năm 2009, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường thực hiện Dự án: “Điều tra, khảo sát, phân vùng và cảnh báo khả năng xuất hiện lũ quét ở miền núi Việt Nam- Giai đoạn 1” [11] . Dự án đã thực hiện lập bản đồ phân vùng nguy cơ lũ quét, tỷ lệ 1:100.000 cho 14 tỉnh miền núi phía Bắc và lập bản đồ cảnh báo ngập lụt do mưa có khả năng gây lũ quét cho 37 lưu vực sông suối thuộc 14 tỉnh nói trên trên bản đồ tỷ lệ 1:5000. Để phục vụ cho công tác cảnh báo lũ quét cho các lưu vực nhỏ, dự án đã sử dụng phương pháp Đường tới hạn (CL). Kết quả đã xây dựng được 37 biểu đồ Đường tới hạn CL cho 37 lưu vực sông. Tồn tại của nghiên cứu này là bản đồ tỷ lệ nhỏ trong khi địa điểm lũ quét phần lớn ở quy mô cấp xã, bản. Bản đồ phân vùng nguy cơ lũ quét chủ yếu được xây dựng trên cơ sở các dữ liệu tĩnh, chưa xây dựng được hệ thống bản đồ động được tích hợp trên nền GIS phục vụ công tác cảnh báo lũ quét. Ở Việt Nam cũng đã có những nghiên cứu cảnh báo lũ quét tiếp cận theo hướng sử dụng chỉ số FFG như dự án: “Điều tra, khảo sát, xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ xảy ra lũ quét khu vực miền Trung, Tây Nguyên, và xây dựng hệ thống thí điểm phục vụ cảnh báo cho các địa phương có nguy cơ cao xảy ra lũ quét phục vụ công tác quy hoạch, chỉ đạo điều hành phòng tránh thiên tai thích ứng với biến đổi khí hâu” do Viện Khoa học khí tượng thủy văn và Biến đổi khí hâu tiến hành thực hiện tiếp nối giai đoạn 2 từ năm 2012 – 2017 [12], tồn tại của nghiên cứu này mới chỉ tập trung chủ yếu cho khu vực miền Trung và Tây Nguyên, do đó việc tính toán, xác định ngưỡng Qbf khu vực Bắc Bộ chưa được xem xét và chưa tính chi tiết đặc biệt cho các lưu vực nhỏ miền núi không có các trạm đo đạc 6
Ở Việt Nam Một số hệ thống cảnh báo dựa trên thiết bị đo đạc đã và đang được nghiên cứu triển khai thử nghiệm dưới sự tài trợ của New Zealand tại tỉnh Hà Tĩnh để cảnh báo lũ quét tại lưu vực sông La (vùng Hòa Duyệt, Sơn Diệm, Linh Cảm) và lưu vực Kẻ Gỗ. Nguyên tắc hoạt động hệ thống như sau: - Thông qua 4 trạm đo mực nước và đo mưa bằng các thiết bị tự động (tại Chu Lễ, Hòa Duyệt, Sơn Diệm, Kẻ Gỗ) và các thiết bị truyền tin vô tuyến tự động, các thông tin mưa - lũ trên các sông Ngàn Phố, Ngàn Sâu, Kẻ Gỗ được truyền qua 1 trạm chuyển tiếp về Trung tâm điều hành tại Hà Tĩnh để xử lý và đưa ra thông tin cảnh báo. 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 1.3.1 Khoảng trống trong nghiên cứu Có rất nhiều các nghiên cứu của các tác giả khác nhau về cảnh báo lũ quét, tuy nhiên trong các nghiên cứu này còn các điểm tồn tại. Cảnh báo lũ quét theo phân vùng nguy cơ lũ quét được tiến hành dựa trên chỉ số nguy cơ lũ quét FFPI có ưu điểm sử dụng đơn giản, không đòi hỏi dữ liệu phức tạp, nhưng nó chỉ là một công cụ bổ sung vì có nhược điểm là không xét đến điều kiện bề mặt tức thời (như độ ẩm và dòng chảy sông suối). Do vậy, kết quả chỉ được xem như một thông tin nền tham khảo có giá trị. Nhiều nghiên cứu dựa theo ngưỡng mưa nhằm xác định rủi ro lũ quét cho lưu vực với điều kiện ban đầu cố định. Tuy nhiên nhược điểm của cách tiếp cận này là không quan tâm đến sự thay đổi theo thời gian của điều kiện lưu vực. Do vậy giá trị ngưỡng mưa sẽ là giá trị cố định theo thời gian. Điều này chưa được hợp lý vì khi lưu vực khô, khả năng trữ nước lớn, cần phải có một lượng mưa lớn để tạo nên lũ quét. Tuy nhiên khi lưu vực đã bão hòa nước, những cơn mưa nhỏ cũng có thể gây nên lũ quét. 7
Phương pháp cảnh báo lũ quét dựa trên ngưỡng mưa FFG gắn với lưu lượng tràn bờ Qbf được xác định bằng đo đạc trực tiếp tại mặt cắt hoặc bằng các công thức kinh nghiệm. Tuy nhiên, không phải lưu vực nào cũng có đủ dữ liệu khảo sát và các trạm quan trắc. Xác định ngưỡng Qbf cho các khu vực nhỏ chưa được nghiên cứu chi tiết, chưa có sự kết hợp đo đạc thực tế tăng độ chính xác. Xây dựng các hệ thống cảnh báo lũ quét đã bắt đầu nghiên cứu và đầu tư xây dựng trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Tuy nhiên, hệ thống cảnh báo lũ quét có nhược điểm là độ chính xác phụ thuộc vào mật độ mạng lưới quan trắc, điều này khó đáp ứng với nhiều quốc gia, đặc biệt lũ quét thường xảy ra ở các khu vực miền núi, nơi ít trạm quan trắc và độ chính xác của dữ liệu cũng không cao. 1.3.2 Định hướng nghiên cứu của luận án Xuất phát từ thực tế công tác dự báo, cảnh báo lũ quét hiện nay gặp rất nhiều khó khăn cũng như các khoảng trống trong nghiên cứu dự báo cảnh báo lũ quét còn tồn tại một số vấn đề như cách tiếp cận xác định ngưỡng cảnh báo lũ quét cho lưu vực sông miền núi có ít hoặc không có các trạm đo đạc khí tượng thủy văn, xây dựng được bộ công cụ cảnh báo lũ quét theo thời gian thực, trong đó có xem xét các yếu tố như hiện trạng lưu vực từ đó xác định giá trị ngưỡng mưa sinh lũ quét (FFG) tại mỗi thời điểm. Trong nghiên cứu này, tác giả sẽ tiếp cận theo hướng nghiên cứu xác định phương pháp cảnh báo lũ quét dựa trên ngưỡng mưa sinh lũ quét (FFG) gắn với lưu lượng tràn bờ được xác định dựa trên phương trình thực nghiệm được xây dựng cho lưu vực sông miền núi. Quá trình nghiên cứu này kết hợp (1) thiết kế khảo sát thực địa để khảo sát các giá trị lưu lượng tràn bờ để xây dựng phương trình thực nghiệm xác định lưu lượng tràn bờ cho sông miền núi; (2) phát triển mô hình lượng mưa - dòng chảy kết hợp với dữ liệu lượng mưa theo thời gian thực để đánh giá hiện trạng của lưu vực từ đó xác định giá trị FFG theo thời gian thực, (3) kết hợp với lượng mưa dự báo để đưa ra cảnh 8
báo lũ quét phù hợp. Nghiên cứu được áp dụng cho lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng ở tỉnh Hà Giang, Việt Nam. Sơ đồ hướng tiếp cận như hình 1.6. Hình 1.6 Sơ đồ nghiên cứu 9
CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP CẢNH BÁO LŨ QUÉT CHO LƯU VỰC NHỎ SÔNG MIỀN NÚI Từ tiếp cận nghiên cứu của luận án để xây dựng phương pháp cảnh báo cho các lưu vực sông miền núi cần dựa trên các cơ sở: i) xác định được lưu lượng tràn bờ; ii) xây dựng mô hình toán thủy văn cho phép xác định điều kiện ban đầu của lưu vực làm cơ sở xác định ngưỡng mưa sinh lũ quét (FFG); iii) khai thác các mô hình mưa dự báo kết hợp với số liệu đo mưa trực tuyến để đưa ra thông tin cảnh báo kịp thời. 2.1 Cơ sở khoa học xây dựng phương trình thực nghiệm tính toán lưu lượng tràn bờ cho các lưu vực nhỏ miền núi Từ nghiên cứu tổng quan các phương pháp xác định lưu lượng tràn bờ và từ điều kiện tự nhiên của các lưu vực sông miền núi của Việt Nam, NCS đã lựa chọn phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm để xác định lưu lượng tràn bờ. Sơ đồ Hình 2.1 dưới đây minh họa tóm tắt phương pháp thực hiện trong nghiên cứu. Hình 2.1 Sơ đồ phương pháp xác định lưu lượng tràn bờ 2.1.1. Xác định ngưỡng tràn bờ từ dấu hiệu nhận biết trên thực địa Theo nghiên cứu của Bent (2013) và Blanton (2010) [13, 14] một số dấu hiệu nhận biết để xác định mực nước tràn bờ có thể được liệt kê như sau (1) cao trình 10
bãi sông nơi mà dòng chảy bắt đầu tràn bờ, (2) cao trình cao nhất tại những điểm bồi tụ trong lòng sông, (3) cao trình nơi có sự thay đổi độ dốc bờ sông, (4) cao trình nơi có sự thay đổi vật liệu hạt, (5) cao trình của cao nhất của hồ xói hàm ếch (under cut) bên bờ sông, (6) cao trình nơi có sự thay đổi độ loại thực vật (ví dụ, từ vùng không có thực vật sang vùng có thực vật). Ngoài ra trong một số tài liệu còn có thể dựa vào các vết đổi màu hoặc các vết, bùn cát trên đá (7) để xác định mực nước tràn bờ. Nghiên cứu tiến hành khảo sát trên khu vực nghiên cứu. Hình 2.2 mô tả một số dấu hiệu nhận biết cao trình mực nước tràn bờ điển hình. Hình 2.2 Một số dấu hiệu nhận biết cao trình mực nước tràn bờ điển hình 2.1.2 Xây dựng tương quan giữa mực nước và lưu lượng cho các vị trí điều tra khảo sát Nghiên cứu cũng tiến hành công tác xây dựng quan hệ mực nước lưu lượng ứng với mỗi vị trí điều tra. Sử dụng công thức Manning Chow (1959) [15] xây dựng đường cong Q = f(Z). 1 𝑄= 𝐴𝑅 2/3 √𝑆 (2-1) 𝑛 Trong đó: A và R lần lượt diện tích và bán kính thủy lưc. Giá trị này có thể xác định thông qua hình dạng mặt cắt đo đạc; S là độ dốc thủy lực, trong nghiên cứu này được lấy bằng độ dốc lòng sông đo đạc tại vị trí khảo sát; n là hệ số nhám, dựa theo hướng dẫn của Barnes (1969) [16] độ nhám của từng đoạn sông tương ứng được xác định 11
Từ công thức (2-1), giá trị lưu lượng ứng với các mực nước được xác định tương ứng. Tổng hợp tất cả các giá trị này, đường cong Q = f(Z) của từng vị trí được xác định. Nghiên cứu cũng đã tiến hành đo đạc một số giá trị lưu lượng và mực nước nhằm phục vụ công tác kiểm định độ chính xác của các đường cong đã xây dựng. 2.1.3 Xây dựng phương trình thực nghiệm tính toán lưu lượng tràn bờ 2.1.3.1 Các biến đầu vào trong phương trình thực nghiệm Theo Bent (2013) [13], giá trị lưu lượng tràn bờ không những ảnh hưởng bởi diện tích lưu vực mà còn chịu sự tác động của các yếu tố như sử dụng đất, điều kiện khí tượng thủy văn hay các đặc trưng hệ thống sông ngòi. Trong nghiên cứu này, do khu vực nghiên cứu có diện tích nhỏ ảnh hưởng của sự khác biệt về mưa có thể bỏ qua. Do vậy, điều kiện khí tượng không được xét đến trong nghiên cứu này. Trong nghiên cứu của mình, các tác giả đưa ra các biến đầu vào có khả năng tính toán từ những nguồn dữ liệu số sẵn có trong điều kiện của Việt Nam. Các biến đầu vào gồm: diện tích lưu vực (F), độ dốc lưu vực (Slv), độ cao trung bình lưu vực (Ztb), chiều dài sông chính (Lc), độ dốc sông chính (Ss), mật độ sông (n) đặc trưng cho địa hình, chỉ số CN để đặc trưng cho yếu tố mặt đệm. 2.1.3.2 Phương pháp xây dựng phương trình thực nghiệm xác định lưu lượng tran bờ cho lưu vực nghiên cứu Phương pháp thống kê được sử dụng trong xây dựng hàm hồi quy để xác định lưu lượng tràn bờ cho các tiểu lưu vực trong nghiên cứu này. Trong hầu hiết các nghiên cứu Bent (2013), Fernandez (2017) và Lumina (2006) [13, 17, 18], hàm số mũ được sử dụng để mô tả mối tương quan giữa các biến phục thuộc và biến độc lập. Trong nghiên cứu này, dạng phương trình số mũ cũng được áp dụng trong tất cả các hàm hồi quy bao gồm cả hồi quy đơn biến và đa biến. Hồi quy đơn biến được áp dụng cho yếu tố diện tích lưu vưc, trong khi đó hồi quy đa biến được xây dựng cho tổ hợp diện tích lưu vực và các yếu tố khác. Kết quả xây dựng phương trình thực nghiệm trình bày trong nội dung chương 3. 12
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 Đối với hiện tượng lũ quét, một yếu tố quan trọng là xác định trạng thái ban đầu của lưu vực, xây dựng mô hình toán thủy văn có ý nghĩa quan trọng trọng trong việc xác định trạng thái ban đầu của lưu vực để từ đó xác định giá trị ngưỡng cảnh báo FFG sát với thực tế hơn. Hiện nay có rất nhiều mô hình đã được phát triển trên thế giới. Một số mô hình được ứng dụng trong các bài toán thực tế ở Việt Nam như: NAM, HEC HMS, TANK… Mô hình TANK Sugawara (1995) [19] và NAM Nielsen (1975) [20] dựa trên cấu trúc các bể thẳng đứng để tính toán dòng chảy. Các mô hình này có ưu điểm là cấu trúc đơn giản, mô phỏng tốt các thành phần dòng chảy. HEC HMS cũng là một mô hình được sử dụng rất phổ biến hiện này với nhiều sự lựa chọn tính toán đối với từng thành phần dòng chảy để phù hợp với từng điều kiện của người sử dụng. Tuy nhiên đây vẫn là các mô hình của nước ngoài với dữ liệu đầu vào cũng như kết quả đầu ra có định dạng không phù hợp với công cụ được xây dựng để cảnh báo cho lưu vực nghiên cứu, muốn đưa dữ liệu vào mô hình hoặc gọi kết quả tính toán từ mô hình vào trong công cụ lại phải sử dụng các thuật toán chuyển đổi định dạng, thêm vào đó việc không kiểm soát khối lập trình trong mô hình gây khó khăn cho việc xây dựng công cụ riêng để cảnh báo lũ quét cho khu vực nghiên cứu. Trong phạm vi nghiên cứu của tác giả sẽ phát triển một mô hình toán thủy văn (CTM) riêng cho khu vựu nghiên cứu. Ngôn ngữ java được sử dụng để xây dựng mô hình. 2.2.1 Cấu trúc mô hình toán (CTM) Cấu trúc mô hình gồm 3 thành phần chính bao gồm: thành phần lưc vực, thành phần đoạn sông và thành phần kết nối. Trong đó thành phần lưu vực có chức năng chuyển hóa từ mưa thành dòng chảy trên lưu vực sông, nghiên cứu sinh sử dụng 2 phương pháp tính toán dòng chảy tử mưa: (1) phương pháp SCS-CN, (2) phương pháp bể chứa tuyến tính (NAM); thành phần đoạn sông nhằm diễn toán dòng chảy trong sông, việc diễn toán có thể thực hiện bởi một số phương pháp 13
diễn toán thủy văn thông dụng như hồ chứa tuyến tính, Muskingum,..; thành phần kết nối là thành phần đơn giản nhất có tác dụng kết nối các thành phần khác với nhau. Cấu trúc mô hình thể hiện trong sơ đồ Hình 2.4: Mô hình CTM 1. Lưu vực 2. Đoạn sông 3. Kết nối Kết nối các lưu vực và đoạn sông Phương pháp bể chứa Phương pháp SCS-CN Phương pháp diễn tuyến tính toán thủy văn đoạn sông: Khấu trừ tổn thất + Phương pháp hồ Số liệu chứa tuyến tính Mưa hiệu quả mưa Tính toán + Phương pháp Phương pháp SCS dòng Muskingum chảy + Phương pháp Tính toán dòng ngầm Muskingum - cunge chảy mắt Tính toán dòng chảy cửa ra lưu vực Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc mô hình toán xây dựng trong nghiên cứu 2.2.2 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Trong nghiên cứu sử dụng ngôn ngữ Java là một trong những ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng. Nó được sử dụng trong phát triển phần mềm, trang web… 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) 2.3.1 Xác định ngưỡng mưa FFG Để xác định ngưỡng mưa FFG sử dụng phương pháp thử dần, sơ đồ xác định ngưỡng mưa FFG theo thời gian thực mô tả như sơ đồ Hình 2.13 dưới đây Bắt đầu t = 1 Giả thiết Xt+1 = FFG Cập nhật Xt thực đo Mô hình thủy văn Q~t giả định Q~t hiện trạng Quá trình dòng chảy ở cửa ra lưu vực (Q1, Q2,…Qt, Qt+j) sai Max(Q1, Q2,…Qt, Qt+j)- Qbf=0 đúng Xác định FFG Hình 2.13 Sơ đồ xác định ngưỡng mưa FFG 14
Tại mỗi bước thời gian cập nhật số liệu mưa đến thời điểm hiện tại được chuỗi số liệu mưa đến thời điểm hiện tại (X1, X2,…Xt) Từ chuỗi số liệu mưa cập nhật đến hiện tại làm đầu vào cho mô hình toán thủy văn được quá trình dòng chảy hiện trạng của lưu vực. Giả thiết lượng mưa ở thời điểm tiếp theo là FFG (Xt+1 = FFG) Từ số liệu mưa giả định FFG làm đầu vào cho mô hình toán thủy văn được quá trình dòng chảy giả định Lũy tích quá trình dòng chày hiện trạng với quá trình dòng chảy giả định được quá trình dòng chảy ở cửa ra lưu vực. So sánh quá trình lũ ở cửa ra lưu vực có đỉnh lũ đạt tới lưu lượng tràn bờ thì giá trị giả định FFG ban đầu là giá trị cần tìm và chuyển sang bước thời gian tiếp theo, nếu không tiến hành giả thiết lại. 2.3.2 Xác định chỉ số FFT (Mức độ nguy cơ đe dọa lũ quét) FFT (Flash Flood Threat -Mức độ nguy cơ đe dọa lũ quét) là lượng mưa tương ứng một thời đoạn nào đó vượt quá so với giá trị FFG tương ứng. Chỉ số mức độ nguy cơ xảy ra lũ quét (FFT) dựa vào hiệu số (hoặc dạng %) giữa lượng mưa tích lũy trong thời đoạn dự báo với FFG tương ứng Để xác định giá trị FFT, sử dụng lượng mưa dự báo, trong nghiên cứu thử nghiệm cho 2 lưu vực nghiên cứu, tác giả sử dụng mô hình GEM để xác định giá trị mưa dự báo. Giá trị mưa dự báo này từng thời điểm được so sánh với giá trị FFG tại từng thời điểm. Giá trị FFT được tính là hiệu số của lượng mưa dự báo với FFG. Nếu giá trị FFT của bất kỳ tiểu lưu vực nào, tại bất kỳ thời điểm nào lớn hơn 0, điều đó chứng tỏ tại đó có nguy cơ xảy ra lũ quét. 15
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP CẢNH BÁO LŨ QUÉT CHO LƯU VỰC NẬM LY VÀ NÀ NHÙNG TỈNH HÀ GIANG 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 Như phân tích trong nội dung tổng quan Lưu lượng tràn bờ Qbf được xác định từ phương trình thực nghiệm thông qua kết hợp khảo sát địa hình thực tế với việc xây dựng mối tương quan giữa lưu lượng tràn bờ với các đặc trưng lưu vực. Kết quả xây dựng phương trình thực nghiệm xác định lưu lượng tràn bờ được trình bày trong nội dung dưới đây 3.1.1 Khảo sát xác định mực nước tràn bờ và lưu lượng tràn bờ tương ứng Từ phương pháp phân tích ở chương 2, mực nước tràn bờ sẽ được xác định từ 7 dấu hiệu nhận biết, từ mực nước tràn bờ thông qua đường quan hệ mực nước và lưu lượng được xây dựng cho khu vực nghiên cứu, giá trị lưu lượng tràn bờ tương ứng cũng sẽ được xác định. Quá trình này được thực hiện với tất cả vị trí khảo sát. Dựa trên những các tiêu chí trên đã được mô tả trên phần phương pháp, 34 vị trí đã được nghiên cứu tiến hành khảo sát. Tọa độ chi tiết và dấu hiệu nhận biết tương ứng của các phương pháp thể hiện như ở Bảng 3.1. Bảng này cũng thể hiện giá trị mực nước tràn bờ điều tra và lưu lượng tràn bờ tính toán. Bảng 3.1 Vị trí khảo sát và dấu hiệu tràn bờ Kinh Dấu hiệu Mực nước Lưu lượng STT Tên Vĩ độ độ nhận biết tràn bờ (m) tràn bờ (m3/s) 1 Q1 104.580 22.627 (1,7) 817.44 27.70 2 Q2 104.582 22.616 (1,7) 653.30 18.52 3 Q3 104.581 22.605 (1,6) 532.65 52.44 4 Q4 104.578 22.593 (1,7) 464.60 24.58 5 Q5 104.579 22.584 (2,6) 378.75 78.11 6 Q6 104.569 22.587 (6) 623.50 24.91 7 Q7 104.574 22.567 (3) 367.73 86.68 8 Q8 104.561 22.548 (3,6,7) 290.50 20.69 16
3.1.2 Xây dựng phương trình thực nghiệm xác định lưu lượng tràn bờ Để xây dựng phương trình thực nghiệm cho lưu vực nghiên cứu thì phương trình hồi quy sẽ được sử dụng phát triển dựa trên dạng hàm mũ. Từ kết quả tính toán đánh giá mức độ tương quan của các biến độc lập đến biến phụ thuộc chỉ có diện tích lưu vực, độ dốc lòng sông và độ cao trung bình lưu vực có ý nghĩa về mặt thống kế trong phương trình tương quan xác định lưu lượng tràn bờ. Từ đó dẫn tới nghiên cứu tiến hành xây dựng các phương trình tương quan là tổ hợp của 3 biến này. Chúng được thể hiện ở các phương trình III, IV và V trong bảng 3.2 thể hiện các phương trình tương quan đa biến và các chỉ tiêu đánh giá ứng với các trường hợp kể trên. Bảng 3.2 Phương trình tương quan đa biến xác định lưu lượng tràn bờ từ các đặc trưng lưu vực Phương Sai số tiêu Hệ số tương Phương trình trình chuẩn quan (%) 3 I Qbf = 12.450F0.530 (m /s) 13.2 94.8 0.350 0.202 II Qbf = 7.591F Lc Slv0.438Ss-0.211Ztb0.255CN- 12.2 92.3 0.326 III Qbf = 10.749F0.493Ss-0.121 12.8 95.3 IV Qbf = 6.318F0.528Ztb0.097 13.2 94.9 V Qbf = 3.255F0.482Ss-0.150Ztb0.165 12.5 95.6 3.1.3 Nhận xét kết quả Kết quả cho thấy mối tương quan chặt chẽ giữa diện tích lưu vực và lưu lượng tràn bờ với hệ số tương quan = 94.8 %. Điều này hoàn toàn phù hợp vì diện tích lưu vực chính là diện tích hứng nước mưa sẽ tập trung dòng chảy ở cửa ra. Do vậy, nó sẽ quyết định giá trị lưu lượng tại cửa ra, nhân tố ảnh hưởng tiếp theo đến lưu lượng tràn bờ có thể kể đến độ dốc lòng sông. Độ dốc càng lớn thì giá trị lưu lượng tràn bờ càng lớn. Khi so sánh các giá trị thống kê của phương trình I và phương trình IV, nhận thấy không có sự thay đổi đáng kể. Điều đó có nghĩa là tác động của của độ cao trung bình lưu vực thể hiện không rõ ràng. Tương tự như 17
vậy chiều dài sông chính, độ dốc lưu vưc hay chỉ số CN đều không có nhiều ý nghĩa trong phương trình. Phương trình có sự tham gia của tất cả các biến này có hệ số tương quan là bé nhất (hệ số tương quan = 92.3 %). Trong các phương trình trên, phương trình (V): Qbf = 3.255F0.482Ss-0.150Ztb0.165 là phương trình có hệ số tương quan cao nhất (Hệ số tương quan = 95.6 %). Đây cũng là phương trình tác giả đề xuất sử dụng cho lưu vực nghiên cứu. Chỉ với dữ liệu địa hình, có thể là DEM địa hình sẵn có, các đặc trưng lưu vực có thể xác định một cách nhanh chóng. Hơn thế nữa, điều này cũng giúp cho người sử dụng linh động hơn trong việc xác định lưu lượng tràn bờ tại tất cả các vị trí mong muốn trên lưu vực. 3.2 Kết quả xây dựng mô hình toán thủy văn cho lưu vực nghiên cứu Tác giả đã xây dựng một mô hình tính toán dòng chảy lũ để áp dụng cho nghiên cứu của mình: (1) Mô hình có khả năng nhập số liệu đầu vào bằng cách nhập từ file hoặc có thể copy từ excel hoặc text. Bảng 3.4 Các phương pháp tính toán trong mô hình CTM Thành phần Phương pháp Ghi chú Phương pháp SCS-CN bể chứa Cố định Thấm Theo tháng CN nhiều dạng Bể mặt SCS Dòng chảy mặt đường SCS Snyder Cố định Bể ngầm Theo tháng Dòng chảy ngầm Nhiều lựa Triết giảm chọn Muskingum Diễn toán dòng Hồ chứa tuyến chảy trong sông tính 18