‘ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN và HẢI DƯƠNG HỌC Tạ Thị Quỳnh Mai MÔ PHỎNG LŨ BẰNG MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC (KW1D) TRÊN LƯU VỰC SÔNG BẾN HẢI – TRẠM GIA VÒNG Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy chất lượng cao Ngành Thủy văn học Hà Nội - 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN và HẢI DƯƠNG HỌC Tạ Thị Quỳnh Mai MÔ PHỎNG LŨ BẰNG MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC (KW1D) TRÊN LƯU VỰC SÔNG BẾN HẢI – TRẠM GIA VÒNG Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy chất lượng cao Ngành Thủy văn học Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thanh Sơn ThS. Ngô Chí Tuấn Hà Nội - 2013 Lời cảm ơn Khóa luận tốt nghiệp được hoàn thành tại Bộ môn Thủy văn, Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Em xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô đã nhiệt tình truyền đạt kiến thức trong suốt quá trình học tập, đặc biệt là các thầy Nguyễn Thanh Sơn, Ngô Chí Tuấn đã tận tình và hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận này. Sinh viên Tạ Thị Quỳnh Mai MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Chương 1. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN LƯU VỰC SÔNG BẾN HẢI – TRẠM GIA VÒNG 2 1.1.VỊ TRÍ ĐỊA LÝ 2 1.2.ĐỊA HÌNH, ĐỊA MẠO 2 1.3.ĐỊA CHẤT, THỔ NHƯỠNG 4 1.4.THẢM THỰC VẬT 4 1.5.KHÍ HẬU 5 1.6.MẠNG LƯỚI THỦY VĂN VÀ TÌNH HÌNH LŨ LỤT 7 Chương 2. TỔNG QUAN CÁC MÔ HÌNH MƯA - DÒNG CHẢY 10 2.1. CÁC MÔ HÌNH MƯA - DÒNG CHẢY 10 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH THẤM 15 2.3.MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC MỘT CHIỀU - PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 18 2.4. PHƯƠNG PHÁP SCS VÀ PHÁT TRIỂN 22 Chương 3. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC MỘT CHIỀU (KW1D) MÔ PHỎNG LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG BẾN HẢI – TRẠM GIA VÒNG 25 3.1.TÌNH HÌNH SỐ LIỆU 25 3.2. XÂY DỰNG BỘ THÔNG SỐ MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC MỘT CHIỀU TRÊN LƯU VỰC SÔNG BẾN HẢI – TRẠM GIA VÒNG 26 3.3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC MỘT CHIỀU - PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN MÔ PHỎNG LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG BẾN HẢI – TRẠM GIA VÒNG 36 KẾT LUẬN 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 PHỤ LỤC 46 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Bản đồ lưu vực sông Bến Hải 2 Hình 2. Bản đồ địa hình lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng 3 Hình 3. Bản đồ sử dụng đất trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng 4 Hình 4.Bản đồ rừng lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng 5 Hình 5. Bản đồ mạng lưới thủy văn lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng 8 Hình 6: Các biến số có tổn thất dòng chảy trong phương pháp SCS 23 Hình 7. Sơ đồ phân dải sông trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng 29 Hình 8: Sơ đồ lưới các phần tử sông trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng . 30 Hình 9 .Sơ đồ khối của chương trình mô phỏng dòng chảy theo phương pháp phần tử hữu hạn sóng động học một chiều 36 Hình 10. Kết quả đường quá trình mô phỏng lũ từ 19h/17/IX – 19h/19/IX/2005 trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng 38 Hình 11. Kết quả đường quá trình mô phỏng lũ từ 13h/07/X/2005 - 07h/X/10/2005 trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng 38 Hình 12. Đường quá trình mô phỏng lũ từ 07h/10/X/2007 - 13h/12/X/2007 trên lưu vực sông Bến Hải– trạm Gia Vòng 39 Hình 13.Kết quả đường quá trình mô phỏng lũ từ 13h/02/X/2010 - 01h/05/X/2010 trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng 39 Hình 14. Kết quả đường quá trình mô phỏng lũ từ 01h/11/XI - 01h/14/XI năm 2007 trên lưu vực sông 42 Hình 15. Kết quả đường quá trình mô phỏng lũ từ 01h/29/IX - 19h/01/X năm 2009 trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng 42 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.Lớp phủ thực vật theo mức độ che tán và tỷ lệ % so với lưu vực 5 Bảng 2. Hiện trạng rừng lưu vực sông Bến Hải 5 Bảng 3.Một số đặc trưng dòng chảy năm các lưu vực sông thuộc tỉnh Quảng Trị 8 Bảng 4. Phân phối dòng chảy theo các tháng trong năm (mm) của trạm Gia Vòng 8 Bảng 5. Thời gian của các trận mưa gây lũ 25 Bảng 6. Số liệu mưa luỹ tích của các trận mưa gây lũ 27 Bảng 7. Số lưu vực con và số dải tương ứng 28 Bảng 8. Các phần tử của lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng 31 Bảng 9 . Các đặc trưng của các phần tử 32 Bảng 10. Các đặc trưng chiều dài lòng dẫn,độ dốc lòng dẫn của dải 35 Bảng 11. Sai số tổng lượng, đỉnh lũ và độ hữu hiệu R 2 của 04 trận lũ mô phỏng trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng 40 Bảng 12. Sai số tổng lượng, đỉnh lũ và độ hữu hiệu R 2 của hai trận lũ độc lập trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng 43 1 MỞ ĐẦU Miền Trung là nơi hứng chịu nhiều thiên tai lũ lụt vào loại bậc nhất ở nước ta. Đã có nhiều công trình nghiên cứu giải quyết vấn đề này nhằm góp phần làm giảm nhẹ những hậu quả do thiên tai lũ lụt gây ra. Hướng tích cực nhất là nâng cao hiệu quả của công tác cảnh báo và dự báo lũ, từ đó đưa ra những biện pháp thích hợp để phòng, tránh. Ngày nay một trong những hướng mới trong nghiên cứu thủy văn ở nước ta là sử dụng mô hình toán phục vụ công tác tính toán và dự báo lũ. Khóa luận đã chọn mô hình sóng động học một chiều và phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp SCS để mô phỏng lũ trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng nhằm khai thác các thông tin về mặt đệm với số liệu khí tượng thủy văn và bản đồ với mục tiêu tìm kiếm các phương án cảnh báo, dự báo lũ phục vụ phòng chống thiên tai lũ lụt ở lưu vực sông Bến Hải. Khóa luận gồm có 3 chương,ngoài mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo: Chương 1 : Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng Chương 2 : Tổng quan về các mô hình mô phỏng mưa dòng chảy Chương 3: Ứng dụng mô hình sóng động học một chiều (KW1D) mô phỏng lũ trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng. Do kiến thức có hạn và thời gian nghiên cứu còn hạn chế nên khóa luận không thể tránh được nhiều thiếu sót em mong nhận được sự góp ý của các thầy cô để khóa luận được hoàn thiện hơn. 2 Chương 1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN LƯU VỰC SÔNG BẾN HẢI – TRẠM GIA VÒNG 1.1.VỊ TRÍ ĐỊA LÝ Lưu vực sông Bến Hải nằm trong giới hạn từ 106 0 38’ đến 106 0 58 ’ kinh độ Đông, từ 16 0 47’đến 16 0 59’ vĩ độ Bắc, phía Bắc giáp với tỉnh Quảng Bình, phía Tây giáp với lưu vực sông Sê Păng Hiêng, phía Nam giáp với lưu vực sông Thạch Hãn và phía Đông giáp biển Đông. Lưu vực sông Bến Hải - tính đến trạm Gia Vòng có diện tích là 283,7 km 2 bắt nguồn từ dãy núi cao trên 1700 m nằm ở phía Tây Bắc tỉnh Quảng Trị và đổ ra biển qua Cửa Tùng. Sông Bến Hải chảy dọc theo vĩ tuyến 17, với vị trí địa lý như vậy, lưu vực sông Bến Hải gần nguồn ẩm nên có khả năng tạo mưa lớn sinh ra dòng chảy lớn (Hình 1) [14]. Hình 1. Bản đồ lưu vực sông Bến Hải 1.2.ĐỊA HÌNH, ĐỊA MẠO Vùng nghiên cứu có thế dốc chung từ đỉnh Trường Sơn đổ ra biển. Do sự phát triển của các bình nguyên đồi thấp nên địa hình của vùng này rất phức tạp. Theo chiều Bắc - Nam,phần đồng bằng địa hình có dạng đèo thấp, thung lũng sông- 3 đèo thấp. Theo chiều Tây-Đông địa hình ở đây có dạng núi cao,đồi thấp nhiều khu theo dạng bình nguyên - đồi, đồng bằng. Vùng đồng bằng ở đây là các thung lũng sâu kẹp giữa các dải đồi thấp và cồn cát hình thành trên các cấu trúc uốn nếp của dãy Trường Sơn, có nguồn gốc mài mòn và bồi tụ. Đồng bằng hạ du sông Bến Hải, cao độ biến đổi từ +1 ÷ 2,5 m, địa hình bằng phẳng, đã được khai thác từ lâu đời để sản xuất lúa nước. Địa hình vùng đồi ở đây có dạng đồi bát úp liên tục, có những khu nhỏ dạng bình nguyên. Độ dốc vùng núi bình quân từ 15 ÷ 180 m. Địa hình này rất thuận lợi cho việc phát triển cây trồng cạn, cây công nghiệp, cây ăn quả, cao độ của dạng địa hình này là 200- 1000m, có nhiều thung lũng lớn. Đây là dạng địa hình có thế mạnh của tỉnh Quảng Trị nói chung và lưu vực sông Bến Hải nói riêng, dạng địa hình này chiếm tới 50% diện tích tự nhiên của các lưu vực sông, thuận lợi cho việc xây dựng hồ chứa phục vụ sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản. Hình 2. Bản đồ địa hình lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng Dãy Trường Sơn chắn gió,hứng ẩm tạo mưa sinh ra dòng chảy tốt, nhưng nếu làm mưa tăng thì địa hình ở đồng bằng thoát lũ chậm dễ gây ngập lụt. Như vậy, địa hình vùng nghiên cứu rất phức tạp, gây khó khăn cho công tác thủy lợi và cũng có rất nhiều tiềm năng để phát triển một nền kinh tế nông nghiệp đa dạng và một nền kinh tế hàng hóa giá trị cao [14]. 4 1.3.ĐỊA CHẤT, THỔ NHƯỠNG Địa tầng phát triển không liên tục, các trầm tích từ Paleozoi hạ tới Kainozoi trong đó trầm tích Paleozoi chiếm chủ yếu, gồm 9 phân vị địa tầng, còn lại 6 phân vị thuộc Meozoi và Kainozoi. Địa chất trong vùng có những đứt gãy chạy theo hướng từ đỉnh Trường Sơn ra biển tạo thành các rạch sông chính cắt theo phương Tây Đông. Tầng đá gốc ở đây nằm sâu,tầng phủ dày. Phần thềm lục địa được tạo thành từ trầm tích sông biển và sự di đẩy của dòng biển tạo thành. Lưu vực sông Bến Hải gần như toàn bộ diện tích là đất feralit, ở phía hạ lưu sông có đất xói mòn trơ sỏi đá và đất nâu đỏ nhưng chiếm diện tích rất ít [14] Hình 3. Bản đồ sử dụng đất trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng 1.4.THẢM THỰC VẬT Lớp phủ thực vật đóng vai trò quan trọng đối với khả năng hình thành lũ lụt – đó là khả năng điều tiết nước. Trên lưu vực rừng tự nhiên còn ít, chủ yếu là rừng trung bình, phân bố ở vùng núi cao. Vùng đồi núi còn rất ít rừng, đại bộ phận là đất trống trảng cây bụi, ngoài ra ở vùng hạ lưu có đất trồng nương rẫy xen dân cư và cây nông nghiệp ngắn vụ xen dân cư. Trên lưu vực sông Bến Hải có rất nhiều loại cây nhưng diện tích đất trống và cây bụi còn rất nhiều , chiếm tỉ lệ khá lớn diện tích toàn lưu vực (Hình 4). Với độ che phủ của các loại rừng được trình bày trong bảng 1. [4] [...]... cho lưu vực Karso ở Ấn Độ) 3 Lập lại bảng CN (Trong công trình của Lê Văn Ước: tiến hành phân loại đất đá ở Lai Châu và thiết lập lại bảng CN ứng với từng loại đất) 24 Chương 3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC MỘT CHIỀU (KW1D) MÔ PHỎNG LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG BẾN HẢI – TRẠM GIA VÒNG 3.1.TÌNH HÌNH SỐ LIỆU Tài liệu mưa: Tài liệu thu thập là mưa ngày và mưa giờ với thời đoạn là 6 giờ trên lưu vực sông Bến Hải. .. CÁC MÔ HÌNH MƯA - DÒNG CHẢY 2.1 CÁC MÔ HÌNH MƯA - DÒNG CHẢY Mô hình mưa - dòng chảy có thể là mô hình tất định hoặc mô hình ngẫu nhiên 8 Mô hình tất định là mô hình mô phỏng quá trình biến đổi của các hiện tượng thuỷ văn trên lưu vực mà ta đã biết trước Nói khác với mô hình ngẫu nhiên là mô hình mô phỏng quá trình dao động của bản thân quá trình thủy văn mà không chú ý đến các nhân tố đầu vào tác động. .. thuỷ văn trên lưu vực [1,2,5] Phân đoạn sông: (hình 7) Từ bản đồ mạng lưới sông, bản đồ độ dốc và bản đồ địa hình ta phân chia lưu vực sông Bến Hải thành 7 đoạn sông (7 lưu vực nhỏ) Các lưu vực nhỏ được phân chia men theo biên của lưu vực sông Bến Hải, dựa theo các đường đồng mức, các dãy núi sao cho mỗi đoạn sông là một khu chứa nước độc lập, nó thể hiện khả năng tập trung nước từ biên của lưu vực và... dt (3) Mô hình SSARR cho phép diễn toán trên toàn bộ lưu vực nhưng không kiểm tra trực tiếp được những thay đổi đặc điểm lưu vực sông đến các quá trình thủy văn Mô hình SSARR đã được áp dụng ở đồng bằng sông Cửu Long 11,15 3 Mô hình TANK Mô hình TANK được phát triển năm 1956 tại trung tâm nghiên cứu quốc gia về phòng chống thiên tai tại Tokyo, Nhật Bản Theo mô hình, lưu vực được mô phỏng bằng chuỗi... tháng Mưa là nguyên nhân gây lũ chủ yếu ở 2 tỉnh này Lũ lớn nhất thường xuất hiện trong các tháng IX,X chiếm từ 25- 31 % tổng lượng nước năm [14] Hình 5 Bản đồ mạng lưới thủy văn lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng Bảng 3.Một số đặc trưng dòng chảy năm các lưu vực sông thuộc tỉnh Quảng Trị Tên sông Các đặc trưng dòng chảy lưu vực Tên trạm Bến Hải Q0(m3/s) Y0(mm)  14,4 Gia Vòng M0(l/s.km2) 53,9 1698... hàm riêng mô tả các quá trình vật lý diễn ra trên lưu vực như phương trình bảo toàn và phương trình chuyển động của chất lỏng Đối với mô hình thuỷ động lực học, quá trình hình thành dòng chảy sông được chia làm hai giai đoạn: chảy trên sườn dốc và trong lòng dẫn 9] Người ta đã xây dựng được mô hình sóng động lực học hai chiều, một chiều và mô hình sóng động học hai chiều, một chiều với nhiều phương pháp... các trận lũ như trong bảng 6 - Tài liệu về dòng chảy: Dòng chảy tại trạm Gia Vòng tương ứng với từng trận lũ được dùng để so sánh với giá trị dòng chảy mô phỏng lũ sau khi chạy mô hình - Tài liệu mặt đệm: Lưu vực sông Bến Hải được chia thành một lưới tính gồm các đoạn sông, dải lưu vực và các phần tử trên nguyên tắc phân tích tính đồng nhất về độ dốc sườn và hướng dòng chảy qua bản đồ địa hình, bản... lòng dẫn của dải Các loại bản đồ trên đều đã được số hoá và có thể truy xuất dễ dàng qua các phần mềm GIS thông dụng Trong khoá luận này sử dụng phần mềm MAPINFO 3.2 XÂY DỰNG BỘ THÔNG SỐ MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC MỘT CHIỀU TRÊN LƯU VỰC SÔNG BẾN HẢI – TRẠM GIA VÒNG - Tài liệu mưa: Mưa ban đầu được cung cấp là giá trị mưa theo từng ngày và mưa thời đoạn 6 giờ của trạm Gia Vòng Và theo yêu cầu số liệu đầu... vực và từ các điểm đầu mối của các lưu vực con khác Các lưu vực con đảm bảo sao cho dòng chảy không chảy 26 tràn sang các lưu vực khác, chỉ có thể chảy qua lưu vực khác thông qua điểm đầu mối Các lưu vực con được ký hiệu từ I đến XXII (bảng 7) Bảng 6 Số liệu mưa luỹ tích của các trận mưa gây lũ Tgian X Tgian X Tgian X Tgian X Tgian X Tgian X Tgian X Tgian X Tgian X 0 0 54 184.0 0 0 54 424.0... hệ thống Xét trên quan điểm hệ thống, các mô hình thuỷ văn tất định có các thành phần chính: -Đầu vào của hệ thống -Hệ thống -Đầu ra của hệ thống Dựa trên cơ sở cấu trúc vật lý các mô hình thuỷ văn tất định được phân loại thành các mô hình thuỷ động lực học, mô hình nhận thức và mô hình hộp đen Dựa vào sự xấp xỉ không gian, các mô hình thuỷ văn tất định còn được phân loại thành các mô hình thông số . Bến Hải 2 Hình 2. Bản đồ địa hình lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng 3 Hình 3. Bản đồ sử dụng đất trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng 4 Hình. 23 Hình 7. Sơ đồ phân dải sông trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng 29 Hình 8: Sơ đồ lưới các phần tử sông trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng