Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD tính toán ngập lụt hệ thống sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội

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 km 2 , 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 m 2 , góc nhỏ nhất 30 o 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 trong Mike 21 Đáy HD Bên 474 Nhuệ HD Bên 250 Tích HD Bên 304 Hoàng Long HD Bên 128 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). Đ.Đ. Đức và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 37-43 42 5. Kết luận Mô hình MIKE FLOOD ứng dụng tính toán ngập lụt cho khu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn Thành phố Hà Nội được hiệu chỉnh và kiểm định với kết quả đánh giá theo chỉ tiêu Nash đều trên 90%. Riêng với diện ngập, so sánh ảnh vệ tinh chụp ngày 7/11/2011 cho thấy mô hình mô phỏng khá phù hợp với thực tế. Hình 8. Kết quả kiểm định mô hình MIKE FLOOD trạm Phủ Lý (2008). Hình 9. Bản đồ ngập lụt lưu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn Thành phố Hà Nội. Điều này thể hiện khả năng mô phỏng tốt quá trình ngập lụt trên lưu vực nghiên cứu của mô hình. Tác giả cũng đang tiếp tục hoàn thiện mô hình như khảo sát bổ sung vết lũ, chi tiết hơn bản đồ địa hình và các loại tài liệu khác để hướng tới việc sử dụng mô hình này trong công tác mô phỏng lũ tần suất, xây dựng các kịch bản lũ, đánh giá tính dễ bị tổn thương gây ra do ngập lụt trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy… phục vụ công tác cảnh báo, dự báo, phòng chống giảm nhẹ thiên tai. Bảng 11. Diện tích ngập lớn nhất theo các cấp cao độ trong trận lũ năm 1984 và 2008 trên địa bàn Thành phố Hà Nội Mức độ ngập 0.1- 0.5m 0.5- 1m 1- 2m 2- 3m >3m Diện tích ngập (Km2) Trận lũ 1984 269.2 402.1 78.8 4.3 1.1 Trận lũ 2008 282.7 394.7 76.4 5.2 1.6 Tài liệu tham khảo [1] Hoàng Thái Bình, Xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Nhật Lệ (Mỹ Trung - Tám Lu - Đồng Hới), Luận văn Thạc sỹ khoa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2009. [2] Nguyễn Văn Cư và nnk, Báo cáo kết quả dự án KHCN cấp nhà nước: môi trường sông Nhuệ- Đáy phần I, Hà Nội, 2003. Đ.Đ. Đức và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 37-43 43 [3] Đặng Đình Khá, Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD tính toán mức độ ngập lụt khu vực Bắc Thường Tín, khóa luận tốt nghiệp, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2009. [4] Đặng Đình Đức, Thử nghiệm khả năng mô phỏng mức độ ngập lụt mô hình MIKE FLOOD trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy, Báo cáo khoa học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 2010. [5] Denmark Hydraulic Institute (DHI), 2007, “MIKE FLOOD Reference Manual” DHI, 514 pp. [6] Denmark Hydraulic Institute (DHI), 2007, “MIKE FLOOD User Guide” DHI, 514 pp. Simulation of flood inundation using MIKE FLOOD model in Nhue - Day river system - Ha Noi city Dang Dinh Duc, Tran Ngoc Anh, Nguyen Y Nhu, Nguyen Thanh Son Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, Hanoi University of Science, VNU, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam In recent years, variation of extreme events causes damage to human and properties of many local region as well as eco-societies activities. Flood management problem is therefore a national focus. Thus, flood mapping becomes the neccessary problem, provides a basis for flood management goals. To this problem, the research applied MIKE FLOOD to simulation of inundation in Nhue Day river basin within Ha Noi. In which, NAM is used to produce flow from rainfall and these simulated flow is applied to a boundary condition of MIKE FLOOD. Observed headwater data of 2 historical flood events, 1984 and 2008, at Phu Ly station and inundation area data of the flood event in 2008 are used to optimize the parameter set of 1-2 dimensional model. The results indicated that this model achieves a fairly high accuracy, reveals ability to apply to inundation vulnerable mapping as well as flood risk warning for Ha Noi. This study is completed with the support of A project group, Vietnam National University, QGTĐ.10-06 Keywords: MIKE FLOOD, inundation, flooding map, Nhue - Day river.