Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 1 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH WMS DỰ BÁO NGẬP LỤT HẠ DU THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG APPLYING WMS MODEL FOR FORECASTING FLOOD CONDITION IN THE DOWNSTREAM HAN RIVER – DA NANG CITY SVTH: Lưu Duy Vũ – Nguyễn Phước Sinh Lớp 07X2A.B - Khoa Xây dựng Thủy lợi Thủy điện – Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng GVHD: GS.TS Nguyễn Thế Hùng Khoa Xây dựng Thủy lợi Thủy điện – Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Khu vực miền Trung nói chung và TP Đà Nẵng nói riêng hằng năm thường bị lũ lụt gây thiệt hại lớn về con người và tài sản. Thiệt hại được hạn chế khi cơ quan chức năng có dự báo sớm và chính xác về tình hình lũ lụt. Trong đề tài này chúng tôi sử dụng mô hình WMS mô phỏng trận lũ đặc biệt lớn vào năm 2007 và 2009 để tìm ra bộ thông số mô hình và kiểm chứng, từ đó đưa ra kịch bản ngâp lụt cho vùng hạ du Thành phố Đà Nẵng. ABSTRACT Annual, central region of Vietnam in general and Danang city in particular are usually affected by flood that cause so much untold losses for people and property. To minimize the damage of flood, the information of flood need to be forecasted accurately and early. In this paper, WMS model is used for simulating the historic flood conditions in 2007 and 2009 and evaluating parameters. Hence, proposing scenarios of flooding for the downstream of Han River – Danang City. 1. Mở đầu Địa hình vùng hạ du thành phố Đà Nẵng là đồng bằng hẹp, nối liền đồi núi cao và biển; sông suối quanh co, lòng dẫn thay đổi nhiều. Do đó vào mùa mưa lũ các dòng chảy lũ rất phức tạp gây ngập cho vùng trũng ven sông. Việc đưa quy mô ngập lụt và độ sâu ngập lụt tối đa khi biết lượng mưa hoặc lưu lượng ở thượng nguồn là rất cần thiết. Trước tiên, tạo cơ sở để đưa ra các biện pháp ngăn ngừa và giảm thiểu tác hại hiệu quả hơn, sau đó lập kế hoạch ứng phó với những trận lũ sau có tính chất phức tạp hơn… Trong đề tài này chúng tôi chọn mô hình WMS 8.3 để mô phỏng lũ, với những ưu điểm nổi trội chúng tôi tin tưởng áp dụng mô hình này sẽ đem lại hiệu quả cho công tác phòng chống lũ lụt, quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội. 2. Nội dung tính toán 2.1. Điều kiện tự nhiên, dân sinh, kinh tế Thành phố Đà Nẵng có tổng diện tích là 1.248,4 km 2 (Trong đó huyện đảo Hoàng Sa là 305 km) nằm trong khu vực từ 15 0 15’15” đến 16 0 13’15” Vĩ độ Bắc và 107 0 49’00” đến 108 0 20’18” Kinh độ Đông, thuộc vùng duyên hải miền Trung. Vùng đồng bằng ven biển và đồng bằng phía Bắc của thành phố bị chia cắt bởi các sông của hệ thống sông Hàn và sông Cu Đê. Đà Nẵng là thành phố trực thuộc trung ương, bao gồm 06 quận nội thành, 01 huyện ngoại thành và 01 huyện đảo. Với dân số là 822.178 người (năm 2008). Tổng sản phẩm nội địa (GDP) của thành phố Đà Nẵng năm 2010 đạt 10.400 tỉ đồng, GDP đầu người đạt 33,2 triệu đồng. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 2 2.2. Cơ sở dữ liệu Bản đồ địa hình được sử dụng theo nguồn: Dự án mô hình Thủy văn – Thủy lực thành phố Đà Nẵng (Trung tâm nghiên cứu bảo vệ môi trường Đai học Đà Nẵng) 3. Ứng dụng mô hình WMS thiết lập bản đồ ngập lụt hạ du Thành phố Đà Nẵng 3.1. Các mô hình toán thủy lực tính lũ trên thế giới Trên thế giới hiện nay có nhiều mô hình tính thủy lực nổi tiếng mô phỏng dòng chảy trên sông như: Mô hình WMS của Đại học Young Mô hình HEC-RAS của quân đội Mỹ Mô hình Mike của Đan Mạch Mô hình Telemac của Pháp … Qua so sánh các mô hình toán, chúng tôi chọn mô hình WMS để tính toán vì: WMS có khả năng mô phỏng lũ mạnh, tích hợp nhiều mô hình miễn phí như HEC-RAS, HEC-HMS, TR-20… trong đó mô hình HEC-RAS đáp ứng được các yêu cầu tính toán tiêu thoát lũ, giao diện đơn giản, có khả năng tự động hóa tính toán cao, ngoài ra một ưu điểm nổi bật nữa đó là phần mềm miễn phí. Hình 1. Giao diện của mô hình WMS 8.3 khi mô phỏng một trận lũ 3.2. Cơ sở lý thuyết WMS và HEC- RAS là mô hình 1D, mô phỏng sự vận chuyển nước và diễn biến dòng chảy dựa trên hệ phương trình Saint - Venant gồm hai phương trình : - Phương trình liên tục. - Phương trình động lượng. 3.2.1 Phương trình liên tục Phương trình liên tục mô tả định luật bảo toàn khối lượng cho hệ một chiều như sau: 0q x Q t S t A l          (1) Trong đó: Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 3 A : Diện tích mặt cắt ngang S : Lượng trữ của mặt cắt ngang Q : Lưu lượng t : Thời gian x : Khoảng cách dọc theo kênh q l : Lưu lượng chảy vào từ bên trên một đơn vị chiều dài 3.2.2.Phương trình động lượng Các trạng thái của phương trình động lượng biểu thị tốc độ thay đổi động lượng là bằng ngoại lực tác động lên hệ thống. Đối với một kênh đơn có: 0S x z gA x )VQ( t Q f                 (2) Trong đó: g : Gia tốc trọng trường S f : Độ dốc thủy lực trên toàn bộ mặt cắt ngang V : Vận tốc 3.3. Quá trình thực hiện. Tính toán với trận lũ năm 2007 để hiệu chỉnh bộ thông số mô hình, sau đó kiểm tra lại với trận lũ 2009. Nếu kết quả kiểm tra là chính xác thì bộ tham số mô hình là phù hợp với điều kiện thực tế. Đáp ứng yêu cầu tính toán và dự báo ngập lụt tương lai, chúng tôi sử dụng bộ thông số mô hình đã kiểm tra dự báo ngập lụt với trận lũ lớn giả định có thể xảy ra trong thực tế. 3.3.1 Hiệu chỉnh mô hình. Quá trình hiệu chỉnh mô hình: tính toán nhiều lần quá trình ngập lụt hạ du Tp Đà Nẵng trong đợt lũ 9-13/11/2007 với những mạng lưới thủy lực và bộ thông số khác nhau đến khi cho kết quả đúng với thực tế.  Hệ số nhám lòng sông thay đổi từ 0.023 đến 0.031, bất thường một số vị trí trên sông Tuy Loan có hệ số nhám là 0.043. Khu vực dân cư có hệ số nhám là 0.06 đến 0.084. Khu vực nông nghiệp có hệ số nhám là 0.04 đến 0.05…  Biên hạ lưu lấy theo mực nước triều tại trạm Tiên Sa lúc xảy ra trận lũ.  Thay đổi một số điểm trong bản đồ số hóa cho gần với thực tế. Bảng 1. So sánh kết quả tính toán với thực đo mực nước lũ lớn nhất lúc 19h ngày 12- 11 – 2007 Vị trí CL Tọa độ 522056.049 1770738.555 tính toán 3.89 m thực đo 3.95 m Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 4 Hình 2. Bản đồ ngập lụt lúc 19h ngày 12- 11 – 2007 Ta thấy kết quả là tương đối chính xác, sai số do sự hiệu chỉnh hệ số nhám đòi hỏi nhiều thời gian và kinh nghiệm, hiệu chỉnh bản đồ cao độ số còn chưa chi tiết. Vậy bộ thông số mô hình có thể chấp nhận được. 3.3.2 Kiểm chứng mô hình với trận lũ 2009 Sử dụng bộ thông số mô hình đã tính toán cho trận lũ 2007 ở trên tiến hành mô phỏng quá trình ngập lụt hạ du Tp Đà Nẵng trong đợt lũ 27/09 - 2/10/2009 nếu cho kết quả đúng với thực tế thì mô hình là phù hợp và thể áp dụng vào thực tế. Bảng 2. So sánh kết quả tính toán với thực đo mực nước lũ lớn nhất lúc 11h ngày 01- 10 –2009 Vị trí CL Tọa độ 522056.049 1770738.555 tính toán 3.09 m thực đo 3.16 m Hình3. Bản đồ ngập lụt lúc 11h ngày 01- 10 – 2009 Kết quả so sánh mực nước lũ tính toán và thực đo tại cầu Cẩm Lệ là chính xác. Vậy mô hình WMS, mạng lưới thủy lực và bộ thông số đã thể hiện đúng các trận lũ lịch sử, cung cấp Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 5 thông tin đầy đủ hơn và là cơ sở để xây dựng bản đồ ngập lụt với các kịch bản theo yêu cầu. 3.3.3 Dự báo ngập lụt với trận lũ giả định Xuất phát điều kiện lưu lượng lũ tại Thành Mỹ, Túy Loan và Nông Sơn xảy ra với tần suất cao bất thường gây ngập lụt nghiêm trọng cho hạ du sông Hàn. Đề tài giả định trận lũ xãy ra vào 9-13/11/2013, các biên lưu lượng được tăng thêm 20%, mực nước triều được tăng thêm 5cm so với trận lũ 2007. Bảng 3. Kết quả tính toán mực nước lũ lúc lúc 19h ngày 12- 11 – 2013 và so sánh với 19h ngày 12- 11- 2007 Vị trí CĐ CHV CTY Q2V CL Tọa độ 520450 525464 517568 523318 522056.05 1769548 1773044 1768695 1766544 1770738.6 2013 5.00m 4.15m 6.17m 5.32m 4.1m 2007 4.88m 3.82m 6.05m 5.28m 3.95 Hình 4. Bản đồ ngập lụt dự báo lúc 19h ngày 3/11/2013 Kết quả cho thấy lụt sẽ ngập sâu hơn từ 0.03m đến 0.15m so với trận lũ năm 2007, diện tích ngập lụt hơn 207km 2 . Khu vực trung tâm Tp Đà Nẵng chạy dọc hai bờ sông Hàn sẽ ngập khoảng 1-1,5m gây thiệt hại về người và kinh tế rất lớn, khu vực ngập nặng nhất đến trên 5m là khu vực dân cư và sản xuất nông nghiệp tại cầu Cẩm Lệ, cầu Đỏ và dọc sông Vĩnh Điện gây hậu quả nặng về người và ảnh hưởng đến an ninh lương thực. 4. Kết luận và kiến nghị 4.1 Kết luận Mô hình WMS có khả năng mô phỏng ngập lụt gần đúng với thực tế, phần mềm có tích hợp GIS và công cụ đồ họa mạnh, tiện lợi để mô phỏng và dự báo lũ lụt. Kết quả mô phỏng đáng tin cậy và phù hợp với tài liệu hiện có. Bản đồ ngập lụt đã xây dựng được các trận lũ lịch sử cung cấp thêm thông tin quan trọng. Mô hình có thể áp dụng cho thực tế để tính toán và dự báo lũ. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 6 4.2 Kiến nghị Kết quả tính toàn phụ thuộc nhiều vào cơ sở dữ liệu, do đó trong tương lai cần bổ sung, cập nhật tài liệu địa hình cho sát với thực tế, bổ sung thêm đo lưu lượng tại thượng nguồn (sông Túy Loan, sông Bung…) và thêm các trạm đo mưa trên thượng nguồn sông Thu Bồn, Vu Gia, Túy Loan. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS.TS. Nguyễn Tài, TS. Lê Bá Sơn (1999), Thuỷ lực (tập II), NXB Xây dựng, Hà Nội. [2] PGS.TS. Nguyễn Tất Đắc (2005), Mô hình toán cho dòng chảy và chất lượng nước trên hệ thống kênh sông, NXB Nông nghiệp, TP. Hồ Chí Minh. [3] U.S. Army Corps of Engineers (2008), HEC-RAS River analysis system, User’s Manual, Hydraulic Reference. [4] U.S. Army Corps of Engineers, HEC-RAS River analysis system, Hydrolic Reference Manual, 2008. [5] Aquaveo (2005), WMS 8.3 Tutorials Volume 1-6, Watershed modeling system. Thông tin về tác giả: Họ và tên: Lưu Duy Vũ – Nguyễn Phước Sinh Địa chỉ: lớp 07X2AB – Khoa Xây dựng Thủy lợi Thủy Điện - Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Đại học Đà Nẵng Số điện thoại liên hệ: 0982.216.020 Email: luuvubkdn@gmail.com . – Thủy lực thành phố Đà Nẵng (Trung tâm nghiên cứu bảo vệ môi trường Đai học Đà Nẵng) 3. Ứng dụng mô hình WMS thiết lập bản đồ ngập lụt hạ du Thành phố Đà Nẵng 3.1. Các mô hình toán thủy lực. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 1 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH WMS DỰ BÁO NGẬP LỤT HẠ DU THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG APPLYING WMS MODEL FOR FORECASTING. mô hình có thể chấp nhận được. 3.3.2 Kiểm chứng mô hình với trận lũ 2009 Sử dụng bộ thông số mô hình đã tính toán cho trận lũ 2007 ở trên tiến hành mô phỏng quá trình ngập lụt hạ du Tp Đà