Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 72-79 72 Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD tính toán ngập lụt và mô phỏng phương án xây dựng đê cho lưu vực sông Lại Giang Nguyễn Văn Hiếu, Cấn Thu Văn 2,* , Nguyễn Thanh Sơn 3 1 Phòng dự báo Thủy văn – Trung tâm dự báo KTTV TW Số 4, Đặng Thái Thân, Hoàn Kiếm, Hà Nội 2 Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP.HCM, 236B, Lê Văn Sỹ, P1, Q. Tân Bình, TP.HCM, 3 Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 01 tháng 4 năm 2013 Chấp nhận xuất bản ngày 29 tháng 4 năm 2013 Tóm tắt. Hàng năm, trên lưu vực sông Lại Giang phải hứng chịu nhiều đợt mưa lũ lớn cả về lượng cũng cường độ, hậu quả của những trận lũ này với những vùng ngập lụt sâu đã ảnh hưởng lớn tới phát triển kinh tế, xã hội, gây ra những thiệt hại không nhỏ về người và của trong khu vực. Ngày nay nhiều phương án phi công trình cũng như phương án công trình phòng và chống lũ đã và đang áp dụng. Trong khuôn khổ nghiên cứu này, chúng tôi chỉ mô phỏng và tính toán ngập lụt với các kịch bản xây dựng đê ngăn lũ giúp cho công tác quản lý và quy hoạch lũ trên lưu vực được tốt hơn nhằm phòng và tránh lũ có hiệu quả. Từ khóa: sông Lại Giang, lũ lụt. 1. Giới thiệu chung về lưu vực sông Lại Giang  Sông Lại Giang gồm hai nhánh: sông An Lão bắt nguồn từ vùng núi phía Bắc giáp tỉnh Quảng Ngãi chảy qua huyện An Lão theo hướng Bắc -Nam; sông Kim Sơn bắt nguồn từ vùng núi huyện Hoài Ân chảy theo hướng Tây Nam- Đông Bắc. Hai sông này nhập lưu tại ngã ba cách cầu Bồng Sơn khoảng 2km về phía Tây rồi đổ ra biển qua cửa An Dũ. _______  Tác giả liên hệ. ĐT: 84-983738347 E-mail: canthuvantrh@gmail.com Diện tích lưu vực tính đến ngã ba nhập lưu của sông An Lão và sông Kim Sơn là 1272km 2 . Diện tích toàn bộ lưu vực là 1466 km 2 nhưng ranh giới phía Bắc với vùng ngập lụt Tan Quan (thuộc lưu vực sông Xưởng) không rõ ràng. Trong đó: - Nhánh sông An Lão với chiều dài 75km và diện tích lưu vực riêng là 697 km 2 - Nhánh sông Kim Sơn có chiều dài 64km và diện tích lưu vực riêng là 575 km 2 Từ chỗ hợp lưu của 2 nhánh, sông chảy thẳng ra biển với chiều dài 18 km được gọi là Lại Giang. Diện tích lưu vực bổ sung cho đoạn này là 130 km 2 . N.V. Hiếu và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 72-79 73 1.1. Địa hình Lưu vực sông Lại Giang có hình dạng rất đặc biệt chi phối đến các đặc trưng của lũ đó là dạng như một khúc cây lớn nằm song song với bờ biển và một cành cụt nằm ngang – đoạn 18km Lại giang đổ ra biển, phần nhánh này chỉ chiếm 9,3 % của lưu vực. Từ đó lũ hình thành giống với bình tưới hơn là miệng ra được mở rộng nhưng khả năng dẫn nước lại kém. Độ cao trung bình của lưu vực là 277m, độ dốc bình quân là 22%, tuy nhiên dọc các triền núi độ dốc tới 60-80%. 1.2. Mạng lưới sông suối Hai nhánh sông lớn là An Lão và Kim Sơn do các khối núi giới hạn nên cũng có hình dạng riêng rất đặc biệt. Nếu sông An Lão có dạng như quả bầu dốc ngược thì lưu vực sông Kim Sơn có dạng hình chiếc rìu với cán rìu lớn nằm song song với sông An Lão và lưỡi rìu bản rộng đặt theo hướng Nam, Tây Nam – Bắc Đông Bắc, cho thấy phía thượng lưu An Lão và sông Kim Sơn có dạng hình móc câu. Điều này được lưu ý trong việc chọn thông số mô hình tính mưa rào dòng chảy. Cũng cần nói các nhánh chính An Lão và Kim Sơn có rất nhiều các suối theo các khe núi hẹp 2 bên đổ vào như: Sông An Lão có các nhánh chính: sông Nước Dinh, sông Đình, sông Nước Giáp, sông Vố, sông Nước Song, sông Nước Đổ, sông Nước Xáng, sông Cẩm Đức, sông Nước Trép, sông Cà Tang… Sông Kim Sơn có các nhánh chính như sông Lớn, sông Nước Luông, sông Nước Láng, sông Ben Vách, sông Du Tự, suối Rùn. 1.3. Đặc điểm mưa lũ trên lưu vực Nguyên nhân sinh ra lũ trên lưu vực sông Lại Giang là mưa. Chỉ trên dưới 3 giờ tại mặt cắt thượng lưu (An Hòa trên sông An Lão và Phú Thuận trên sông Kim Sơn) và cũng chỉ khoảng 5 giờ tại Bồng Sơn sau khi mưa là xuất hiện lũ. Trên lưu vực có các trạm đo mưa An Hòa, Bồng Sơn, Hoài Ân, Hoài Nhơn (nằm ngoài khu vực). Phân tích hai trạm mưa có liệt tài liệu dài là An Hòa và Bồng Sơn có lượng mưa chi tiết thới đoạn 6 giờ. Hình 1. Bản đồ địa hình và mạng lưới sông suối lưu vực sông Lại Giang. [1] Theo quan trắc nhiều năm thì các trận lũ lớn trên lưu vực thường xuất hiện cùng với bão và áp thấp nhiệt đới đổ bộ trực tiếp vào Bình Định hoặc các tỉnh lân cận nhất là bão gặp không khí lạnh từ Bắc bán cầu di chuyển xuống gây mưa, lũ lớn. Tuy nhiên, nếu dải hội tụ nhiệt đới kết hợp với không khí lạnh là loại hình thời tiết thường gây mưa và lũ rất lớn. Mưa: Phân phối không gian của lượng mưa ở Bình Định rất không đồng đều. Lượng mưa N.V. Hiếu và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 72-79 74 năm trung bình đo đạc được ở nơi nhiều mưa nhất và ít mưa nhất chênh lệch nhau rất lớn đạt 2422mm. Trong năm, lượng mưa mùa mưa quyết định chủ yếu đến lượng mưa năm. Bốn tháng mùa mưa, lượng mưa trung bình nhiều năm khoảng 1200 - 1700mm, riêng vùng núi An Hoà 2180mm chiếm từ 66 - 79% tổng lượng mưa năm. Tổng lượng mưa mùa khô khoảng 380 - 850mm, chiếm 21 - 34% lượng mưa năm, trong đó ở vùng núi thường chiếm 28 - 34%, ven biển thường chiếm 21 - 26% lượng mưa năm. Lũ: Mực nước cao nhất đóng một vai trò rất quan trọng trong việc chủ động điều hành các hoạt động kinh tế, chính trị, xã hội của tỉnh và nhất là trong công tác quy hoạch thiết kế các công trình có nguy cơ chịu ảnh hưởng bởi độ cao mực nước và phòng chống lũ lụt. Cường suất, biên độ mực nước lũ thay đổi theo dọc sông, càng về phía hạ lưu cường suất, biên độ mực nước lũ giảm. Đối với vùng thượng lưu biên độ lũ lớn nhất khoảng 5,5m với cường suất lũ lớn nhất khoảng 1,50m/giờ, vùng hạ lưu biên độ lũ lớn nhất khoảng 4,0 – 5,0m với cường suất lũ khoảng 1- 1,50m/giờ. Các trận lũ lớn và điển hình trên lưu vực là các trận lũ năm 1987, 1999, 2003 và 2007, 2008 và 2009 [2] 2. Ứng dụng mô hình Mike Flood tính toán ngập lụt cho lưu vực sông Lại Giang 2.1. Dữ liệu đầu vào mô hình: - Biên trên: Là kết quả khôi phục dòng chảy từ mô hình NAM của nhánh sông An Lão và nhánh sông Kim Sơn. - Biên nhập lưu: Là kết quả khôi phục dòng chảy từ mô hình NAM của các nhánh sông nhỏ vùng trung và hạ lưu sông. - Biên dưới: Là đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại trạm Lại Giang. - Trạm hiệu chỉnh: Số liệu mực nước thực đo tại trạm thủy văn Bồng Sơn được dùng làm số liệu hiệu chỉnh kết quả tính toán của mô hình. Hình 2. Sơ đồ thủy lực một chiều lưu vực hệ thống sông Lại Giang. Hình 3. Sơ đồ kết nối trong MIKE FLOOD.[3] Số liệu mặt cắt gồm 7 mặt cắt bên nhánh sông An Lão từ trạm thủy văn An Hòa đến đập Lại Giang; 3 mặt cắt bên nhánh sông Kim Sơn từ trạm thủy văn Ân Thạnh đến ngã ba nhập lưu; 8 mặt cắt từ đập Lại Giang đến trạm thủy N.V. Hiếu và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 72-79 75 văn Lại Giang. Tất cả các số liệu mặt cắt trên đều được đo khảo sát vào năm 2007 (số liệu do Đài KTTV khu vực Nam Trung Bộ cung cấp). Ngoài ra, từ bản đồ số địa hình lòng sông tiến hành xây dựng DEM và trích xuất bổ sung số liệu mặt cắt tại những vị trí địa hình lòng sông có sự biến động lớn. Những vị trí đó bao gồm các bãi bồi, điểm uốn khúc của sông và những vị trí lòng sông thu hẹp hoặc mở rộng đột ngột [4]. Tại những bãi bồi tiến hành trích xuất mặt cắt 2 đầu bãi và giữa bãi bồi. Tại những điểm uốn khúc, lòng sông co hẹp hoặc mở rộng đột ngột trích xuất mỗi vị trí 1 mặt cắt. Tổng cộng trích xuất them 20 mặt cắt từ DEM. Vị trí 38 mặt cắt dọc sông trong mô hình thủy lực được trình bày ở hình 2. Từ bản đồ tỷ lệ 1/25.000 đã số hóa trích xuất các điểm cao độ đồng thời bổ sung thêm tài liệu đo đạc tăng dầy điểm độ cao và nhập trực tiếp vào mô hình MIKE 21 [5]. Lưới phần tử hữu hạn được sử dụng để rời rạc hóa khu vực nghiên cứu (hình 4). Hình 4. Chia ô lưới trong miền tính toán. 2.2. Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình Trận lũ 10/2008. Tiến hành tính toán và hiệu chỉnh bộ thông số cho trận lũ từ ngày 22 đến ngày 27 tháng 10 năm 2008. Kết quả tính toán mực nước ở trạm thủy văn Bồng Sơn như sau (hình 5): Hình 5. Mực nước tính toán và thực đo trạm Bồng Sơn trận lũ 10/2008. - Đỉnh lũ: thực đo là 7.11m xuất hiện vào lúc 19h ngày 24 tháng 10, tính toán là 7.116m xuất hiện vào lúc 16h ngày 24 tháng 10. Đỉnh lúc tính toán được chậm pha hơn so với thực đo là 3 tiếng, về mực nước đỉnh lũ tính toán cao hơn thực đo là 0.006m, đạt kết quả khá tốt. - Tổng lượng: chỉ số NASH = 0.77 cho ta thấy kết quả mô phòng về tổng lượng là khá tốt. Trận lũ 11/2009. Sử dụng bộ thông số thủy lực tiến hành kiểm định cho trận lũ từ ngày 02 đến ngày 05 tháng 11 năm 2009. Kết quả tính toán và thực đo tại Bồng Sơn (hình 6). Hình 6. Kết quả kiểm định cho trận lũ 11/2009. N.V. Hiếu và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 72-79 76 Nhận xét về kết quả kiểm định 2009: - Đỉnh lũ: thực đo là 7.90m xuất hiện vào lúc 08h ngày 03 tháng 11, tính toán là 7.555m xuất hiện vào lúc 08h ngày 03 tháng 11. Đỉnh lúc tính toán được cùng pha hơn so với thực đo, về mực nước đỉnh lũ tính toán thấp hơn thực đo là 0.345m, đạt kế quả rất tốt. - Tổng lượng: chỉ số NASH = 0.84 cho ta thấy kết quả mô phòng về tổng lượng là rất tốt. Trận lũ 11/2007. So sánh mực nước thực đo và tính toán bằng MIKE 21 trạm Bồng Sơn trận lũ năm 2007 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000 10.000 Ngày 11/01/2007 11/02/2007 11/03/2007 11/04/2007 11/05/2007 11/06/2007 11/07/2007 H (m) 2007 MIKE21 2007 Thực Đo Hình 7. Kết quả mực nước tính toán và thực đo tại trạm Bồng Sơn trận lũ từ 1-8/11/2007. Hình 8. Kết quả tính toán ngập lụt năm 2007. Với số liệu mưa thực đo tại trạm An Hòa, Bồng Sơn; lưu lượng thực đo tại An Hòa và Ân Thạnh, các số liệu biên gia nhập khu giữa được tính toán bằnh mô hình NAM và số liệu mực nước thực đo tại trạm Lại Giang (cầu Lại Giang). Tính toán ngập lụt cho vùng hạ lưu lưu vực sông Lại Giang. Kết quả tính toán hiệu chỉnh đường quá trình mực nước cho trận lũ từ ngày 1-8/11/2007 tại Bồng Sơn được thể hiện trong (hình 7) và vùng ngập lụt trong (hình 8). Kết luận: Thông qua việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy văn thủy lực với 3 trận lũ của các năm 2007, 2008, 2009 đã thu được mạng thủy lực cùng các điều kiện về địa hình hiện có, bộ thông số độ nhám có độ tin cậy tương đối để tính toán mô phỏng lũ thiết kế cũng như với các kích bản trong các giai đoạn tiếp theo. 3. Tính toán mô phỏng ngập lụt với các phương án xây dựng đê Như ta đã biết, có nhiều cách tiếp cận tính toán lũ thiết kế ứng với các tần suất khác nhau trên khu vực nghiên cứu, trong nghiên cứu này chúng tôi đã lựa chọn phương pháp tính toán lũ thiết kế từ trận mưa thiết kế tương ứng cùng tần suất dựa trên giả thiết hiện tượng lũ xuất hiện tại cửa ra lưu vực đồng tần suất với sự kiện mưa rơi trên lưu vực đó, và kết hợp với việc hiệu chỉnh theo số liệu tính toán lũ thiết kế tại các trạm khống chế trong khu vực nghiên cứu. Tính toán dòng chảy lũ thiết kế tại cửa ra các tiểu lưu vực có đóng góp như là biên (biên trên và biên gia nhập khu giữa) cho mô hình thủy lực ứng với các tần suất thiết kế 1%, 5% bằng cách ứng dụng mô hình thủy văn Mike- NAM với các trận mưa thiết kế tương ứng. Để tiện cho việc phân tích tính toán và tập trung vào khu vực cần nghiên cứu (khu vực dự kiến xây dựng đê), chúng tôi khoanh vùng phân tích ngập lụt có diện tích là 39.7km 2 (hình 9). Vùng này sẽ được dùng để phân tích tính toán diện tích ngập, độ sâu ngập và sự thay đổi vận tốc dòng chảy ứng với các trường hợp hiện trạng và sau khi xây dựng đê (chiều cao mặt đê dự kiến là 9,5m). N.V. Hiếu và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 72-79 77 Hình 9. Vùng phân tích ngập lụt. 3.1. Kịch bản ứng với hiện trạng năm 2007 Bảng 1: Diện tích ngập ứng với các độ sâu ngập như sau: Cấp ngập 0-1m 1-2m 2-3m 3-4m >4m Không đê 8.103 7.209 1.845 0.901 1.336 Có đê 8.39 3.394 2.055 0.771 1.678 Hình 10. Kịch bản ngập lụt có đê Bồng Sơn. Hình 11. Kịch bản ngập lụt không có đê Bồng Sơn. 3.2. Kịch bản ứng với tần suất mưa 5% Bảng 2: Diện tích ngập ứng với các độ sâu ngập như sau: Cấp ngập 0-1m 1-2m 2-3m 3-4m >4m Không đê 6.212 8.792 3.940 1.807 2.266 Có đê 4.862 7.944 5.865 1.994 1.818 Hình 12. Kịch bản ngập lụt có đê Bồng Sơn. Hình 13. Kịch bản ngập lụt không có đê Bồng Sơn. N.V. Hiếu và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 72-79 78 3.3. Kịch bản ứng với tần suất mưa 1% Bảng 2.11: Diện tích ngập ứng với các độ sâu ngập như sau: Cấp ngập 0-1m 1-2m 2-3m 3-4m >4m Không đê 5.047 7.215 6.955 2.414 2.825 Có đê 4.367 6.799 7.45 2.451 2.388 Hình 14. Kịch bản ngập lụt có đê Bồng Sơn. Nhận xét các kịch bản: - Diện tích ngập lụt trận lũ năm 2007 trước khi có đê và sau khi có đê giảm khá nhiều (3,1km 2 ), với trường hợp 1%, 5% diện tích vùng ngập trước khi có đê xấp xỉ diện tích ngập lụt sau khi có đê . - Độ sâu sâu ngập lụt trung bình trước khi có đê lớn hơn sau khi có đê. - Kết quả tính toán ngập lụt cho trận lũ 2007, phần diện tích phía sau đê Bồng Sơn hoàn toàn được bảo vệ và không bị ngập lụt. - Kết quả tính toán cho 2 trận lũ thiết kế 1% và 5% với đỉnh lũ khá lớn, phần diện tích phá sau đê bồng sơn bị ngập lụt nhưng độ sâu ngập lụt chỉ 0~1m. Hình 15. Kịch bản ngập lụt không có đê Bồng Sơn. 4. Kết luận Với kết quả tính toán phân tích như trên cho thấy sau khi xây dựng đê phần diện tích ngập lụt phía trong đê giảm đáng kể, nhưng vận tốc dòng chảy dọc đê cũng tăng mạnh. Điều này có thể dẫn đến sự tay đỏi lòng dẫn trong sông, đặc biệt là các bãi bồi giữa dòng có khả năng sẽ bị xói lở và dịch chuyển. Với vùng hạ lưu sông Lại Giang nói riêng, cũng như đối với các vùng cửa sông Miền Trung, giải pháp phòng chống lũ cần thiết là sự kết hợp: làm hố chứa điều tiết ở thượng nguồn và công trình đê điều cải thiện điều kiện tiêu thoát lũ vùng cửa sông, các biện pháp phi công trình… Những nghiên cứu mô phỏng và tính toán kịch bản xây dựng đê nhằm tạo thêm một cái nhìn phục vụ công tác phòng lũ hiệu quả cao. Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Văn Hiếu, (2009), Ứng dụng mô hình MIKE – GIS mô phỏng lũ trên sông Lại Giang, Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, ĐH Thủy lợi. [2] Nguyễn Ân Niên, Lê Mạnh Hùng (2002)- Nghiên cứu biện pháp phòng chống lũ lưu vực sông Lại Giang. N.V. Hiếu và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 72-79 79 [3] Nguyễn Ân Niên, Vũ Văn Nghị, Nguyễn Anh Đức (2002), Lũ lưu vực Lại Giang và sơ đồ tính, Tuyển tập KHCN năm 2002 Viện KHTLVN [4] Trang điện tử: www.baobindinh.com [5] Viện Thủy lực Đan Mạch DHI - Mike Flood User Manua Không thấy trích dẫn trong bài các TLTK [1-5] Application MIKE FLOOD software to calculate flood and simulation plans building dykes in Lai Giang river basin Nguyen Van Hieu 1 , Can Thu Van 2 , Nguyen Thanh Son 3* 1 Hydrology forecasting– National centre Hydro-Meteorological forecasting 4 Dang Thai Than, Hanoi, Vietnam 2 Ho Chi Minh City University for Natural Resources and Environment 236B, Le Van Sy Str., Ward 1, Tan Binh Dist., Ho Chi Minh City 3 Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam Every year, the Lai Giang river basin has to suffer many strong floods. they have caused floodplain and effected socio-economic development, the consequences of the floods with deep flooded areas have a major influence on socio-economic development, cause much loss of life and property in the area. Today, a lot of construction and non-construction plans have been applied for flood prevention and control. In this study, we simulate and calculate flood with scenario of building dykes for better flood management and planning in the basin in order to prevent flood more effectively Keywords: Flood, Lai Giang river basin . nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 72-79 72 Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD tính toán ngập lụt và mô phỏng phương án xây dựng đê cho lưu vực sông Lại Giang. 1999, 2003 và 2007, 2008 và 2009 [2] 2. Ứng dụng mô hình Mike Flood tính toán ngập lụt cho lưu vực sông Lại Giang 2.1. Dữ liệu đầu vào mô hình: - Biên