ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI H Ọ C KHOA H Ọ C Tự NHIÊN rlii yì i ìK O n JttiliD lffllC n ĐỂ TÀI NGHÊN CỨU KHOA HỌC Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA HÀ N Ộ I NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT CÁC MỒ HÌNH THUỶ VẢN-THUỶ Lực ■ TRONG Dự BÁO LŨ SÔNG HƯONG Mã số: QT 05-38 Chủ trì: PGS-TS N guyễn Hữu Khải '.AI HỌC QC GIA HA NOl 'RUNG TẨM THÔNG T TH VIỀN IN Ư Dĩ/ s n ■-—HÀ NỘI 2-2006 - BÁO CÁO TÓM TẮT 1.Tẽn đề tài: Nghiên cứu liên kết mơ hình thuỷ văn - thuỷ lực dự báo lữ sòng Hương Mã số: QT-05~38 Người chủ trì: PGS-TS Nguyễn Hữu Khải 4.Cán tham gia: - ThS Đặng Quý Phượng - CN Trần Anh Phương 5.Mục tiêu nội dung nghiên cứu: Do đặc điểm lưu vực sông Hương sông miền Trung khác, việc áp dụng đan mơ hình thuỷ văn để tính tốn dự báo đưa đến độ xác khơng cao Vì đề tài nghiên cứu khả liên kết mơ hình thuỷ vãn HEC-HMS (với bổ trợ mơ hình HEC-GEOHMS) diễn tốn cho phần thượng lưu mồ hình thuỳ lực HEC-RAS diễn tốn cho phần hạ lưu lưu vực sơng Hương nhằm nâng cao chất lượng dự báo Nội dung nghiên cứu gồm phần: -Khái đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực sông Hương, -Nghiên cứu sở lý thuyết mơ hình, 'ứng dụng mơ hình tính tốn dự báo 10 sông Hương 6.Các kết đạt a ).về khoa học-Đã nghiên cứu đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực sơng Hương có ảnh hưởng đến q trình hình thành truyền lũ trẽn luu vực - Thu thập tài liệu địa hình, thổ nhưỡng, khí tượng thuỷ vãn lưu vực làm sở cho ngjien cứu đề tài nahien cứu sau - Nghiên cứu sở lý thuyết mơ hình HEC-HMS, HEC-GEOHMS HEC-RAS, khả liên kết chúng trons tính tốn dự báo lũ lưu vực sông Hương -Úng dụng mô hình vào dự báo lũ sơns Hương Kết hiệu chình kiểm định mị hình cho trận lũ lớn gẫn đáy cho thấy kết hợp mơ hình có hiệu tốt, nàng cao độ xác dự báo h).về đào tạo Hướng dẫn sinh viên hệ cử nhãn khoa học tài Trần Anh Phương làm khoá luận tốt nghiệp với đề tài “ứng dụng tổng hợp mơ hình HECHMS, HEC-RAS dự báo lũ sông Hương" c ).v ề báo cáo hội nghị khoa học: - Đã đãns báo tạp chí khoa học KTTV tháng 11/2005 với tiêu đề ” ứng dụng tơng hợp mỏ hình thuỷ văn-thnỷ lực dự báo lũ sõng Hương" - Tham gia hội nghị khoa học “ Dự báo phục vụ dự báo KTTV” Tài nguyên & Môi trường, tháng 12/2005 Nội dung báo cáo đăng kỷ yếu hội nghị Tổng kinh phí đề tà i: 15.000.000 đơng (Miròi lãm triệu đồng) XÁC NHẬN CỦA BAN CHỦ NHIỆM KHOA CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI XÁC NHẬN CỦA TRƯỜNG ab SUMMARY IN ENGLISH 1-Name subject: “Researching connection o f hydrologic-hydraulic models in flood forecaste in Huong river basin” Numerial code: QT-05-38 The main responsible person for subject: Ass Prof.-Dr Nguyen Huu Khai Combined persons: - Master Dang Quy Phuong - Post-graduate Tran Anh Phuong 4.Aim and content o f the study: Besause o f characteristics of Huong river basin and diffrence basins in Central part o f Vietnam, alone use o f hydrologic model to compute and forecast flood didn’t give hight accuracy Therefore this subject researched capacity for connection o f HECHMS hydrologic model (with help o f HEC-GEOHMS model) to route for hillslope and HEC-RAS hydraulic model to route for downstream o f Huong river basin with aim raising accuracy o f flood forecaste Contents of subject include problems:: -Generalizating natural characteristics o f Huong river basin -Researching theoretical basic o f HEC-HMS, HEC-GEOHMS and HEC-RAS models -Applying above-named models in flood computation and forecast in Huong river basin Attained results: a About science: -Gathered a set o f topographic, soil, meteoro-hydrologic data o f Huong river basin serving subject -Researched theoretical basic o f HEC-HMS, HEC-GEOHMS and HEC-RAS models, capacity for they’s connection to predict flood in Huong river basin -Applyed above models to compute and forecast flood in Huong river Results o f calibration and verification o f models for nearly great floods showing that connection o f models gived good effect, raising accuracy of predictions b About graduation: -Guided thesis for student o f efficient-scientific bachelor branch Tran Anh Phuong with subject: “General applying HEC-HMS, HEC-GEOHMS and HEC-RAS models to forecast flood in Huong rive bain” c About articles and scienific seminar -Printed article with title: “General applying hydrologic-hydraulic models to forecast flood in Huong rive basin” in Hydro-meteorologic scientific Journal N° 11/ Nov 2005 pp 12-19 Taked part in scientific seminar “Predict and serve prediction in Hydro­ rometeorology” o f Ministry o f Resourses and Environment, December 2005 Report printed in proceedings.of seminar 80-88pp BÁO CÁO CHÍNH MỤC LỤC MỞ Đ Ầ U CHUƠNG ĐẬC ĐIỂM ĐỊA LÝ TựNHIÊN LUU v ự c SƠNG HƯƠNG 1.1 Vị trí địa l ý 1.2.Đặc điểm địa hình 1.3.Đặc điểm địa chất, thỏ nhưỡng 1.4.Đặc điểm khí hậu 1.5.Đặc điểm lớp phủ thực vât 11 l.ổ.Đặc điểm thuỷ văn tình hình nghiên cứu 12 CHUƠNG 2.TỔNG QUAN VỂ CÁC MƠ HÌNH TỐN THUỶ VĂN 2.1 Tổng quan mơ hình tốn thuỷ vãn 20 20 2.2 Khái qt sở lý thuyết mơ hình HEC-GeoHMS, HEC-HMS, HEC-RAS 23 CHUƠNG ÚNG DỤNG CÁC MƠ HÌNH THƯỶ VĂN THUỶ L ự c DựBÁO LŨ SÔNG HUƠNG 38 3.1.Kết hợp mô hình dự báo lũ sơng Hương 38 3.2.SỐ liệu đầu vào 38 3.3.Kết ứng dụng mơ hình 42 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 MỞ ĐẨU Các sơng ngịi miền Trung Việt nam, có sơng Hương thường ngẩn dốc, hầu hết bắt nguổn từ dãy Trường sơn đổ biển Địa hình lưu vực thay đổi nhanh chóng phức tạp Phần thượng lưu cao dốc, lũ lên nhanh nhiều nguy gây lũ quét, phần hạ lưu thấp, độ dốc nhỏ, lịng sơng mở rộng, sơng nối với thành mạng lưới chẳng chịt, phần sơng gần biển lại hình thành đầm phá làm cản trở khả thoát nước Do gặp lo lớn vùng thường xuyên bị ngập sâu nưóc, lũ rút chậm gây nhiều thiệt hại người Ảnh hưởng thuỷ triều lại làm cho mực nước khu vực dâng cao rút chậm Do đặc điểm nên diễn tốn lũ đơn mơ hình thủy văn gặp nhiều khó khăn, tỏ có ưu diễn tốn mưa - dịng chảy phần thượng lưu sơng Phần hạ lưu mồ hình thủy lực thường mơ lũ tốt xét đến phức tạp địa hình lịng sơng tác độna thuỷ triều Vì việc kết hợp sử dụng đồng thời mơ hình thủy văn, thủy lực tính tốn dự báo lũ u cầu khấch quan nhằm tìm phưcmg án dự báo lũ sông Hương tối ưu Hiện nay, Cơ quan thủy văn thuộc quân đội Hoa Kỳ (HEC) phát triển số mơ hình bao gồm mơ hình thủy văn thủy lực mơ hình thủy văn tiêu biểu HEC-HMS mơ hình thủy lực tiêu biểu HEC-RAS Trong đề tài nghiên cứu sử dụng kết hợp hai mơ hình với HEC-GeoHMS để tính tốn dự báo lũ sồng Hương, HEC-GeoHMS mơ hình phụ trợ HEC-HMS, dựa vào đồ địa hình đặc điểm lớp phủ lưu vực để tìm thơng số mơ hình HEC-HMS Mơ hình HEC-HMS nhận thơng số tạo từ HEC-GeoHMS thực diễn tốn mưa- dịng chảy từ thượng lưu đến ngã ba Tuần Trên nhánh Tả Hữu Trach sông Bồ đến Phú ố c Sau lấy kết đầu mơ hình HEC-HMS vị trí diễn tốn sơng theo HEC-RAS đến trạm sông Cống Quan, Tân Mỹ An Xuân CHƯƠNG ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ Tự NHIÊN CỦA Lưu v ự c SÔ N G H Ư Ơ N G l.l.V Ị TRÍ ĐỊA LÝ Sơng Hương sông lớn tỉnh Thừa Thiên Huế tỉnh cực nam vùng duyên hải Bắc Trung Bộ, nằm vĩ tuyến 16r - 17° bắc kinh tun i 107° - 108° đơng, phía tây phía nam dãy Trường Sam Bạch Mã bao bọc, phía đồng giáp vói biển Đơng với đường bờ biển dài 120 km (hình 1.1) sỏng Hương có diện tích 2830km2 chiếm 56% diện tích tồn tỉnh Thừa Thiên-Huế, giữ vai trò trọng yếu nguồn nước tình hình lũ lụt tỉnh Sơng suối Hình 1.1: Bản đổ lưu vực sõng Hương 1.2.ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH Địa hình lưu vực sơng Hương tạo thành dải bậc thềm từ biển lấn vào sâu đất liền, nghiêng từ tây sang đơng chia cắt theo độ cao, chia vùng khác nhau: núi, gò đồi trước núi, đồng duyên hải đụn cát 1.2.1.Vùng núi Vùng núi chiếm khoảng 51-55% tổng diện tích lưu vực chủ yếu phân bố phía tây Ngồi đồng rải rác có naọn núi thấp, v ề phương diên hình thái có núi trung bình thấp Núi có độ cao trung bình trẽn 1000 m chiếm 15% Núi cao lưu vực sông Hương dãy Bạch Mã có độ cao 1444 m Diện tích phân bố núi thấp chiếm khoảno 40-55% với độ cao từ 100 đến 1000m So với lãnh thổ núi trung bình, núi thấp có độ dốc mặt đất thoải hơn, độ che phù rừng giảm sút 1.2.2.Vùng gò đồi trước núi đồng duyên hải Đây vùng lãnh thổ nằm kế cận với vùng núi, có độ cao từ lOOm xuống 15lOm chiếm khoảng 30% diện tích lưu vực Đồng duyên hải trải rộng khơng gian 15% điện tích lãnh thổ Độ cao mặt đất dao động khoảng từ 0.5- đến 10 -I5m (ở phía tây) Tuy có hướng nghiêng biển Đơng có độ dốc nhỏ (0.2%-5%) Một vài nơi gặp địa hình trũng thấp 0.5- Im, đầm phá, trằm, bàu Đồng duyên hải bị chia cắt mạnh mẽ mạch núi đâm ngang biển 1.2.3.Cồn cát ven biển Những cồn cát cao kéo dài song song với đường bờ biển di động nên gây cản trở cho việc thoát lũ, nguyên nhân di động cửa sông gây ngập úng 1.3.ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, THỔ NHUỠNG 1.3.1.Đặc điểm chung Các chi lưu sông Hương chảy qua vùng đá gốc khác Thượng nguồn sông Hữu Trạch chảy qua đá mắc ma phức hệ Quế Sơn, phức hệ Hải Vân chảy qua đá trầm tích, biến chất hệ tầng Long Đại hệ tầng Tân Lâm Thượng nguồn sông Tả Trạch chảy qua đá mắc ma phức hệ Hải Vân, Quế Sơn, Hải Lộc chảy qua đá trầm tích-biến chất thuộc hệ lầng A Vươtig, hệ tầng Tân Lâm Đoạn từ ngã ba Tuần đến cửa Thuận An chảy qua khối đá mắc ma phức hệ Bà Nà, phức hệ Đại Lộc đá trầm tích hệ tầng Tân Lâm Bồn trũng sơng Hương có giới hạn sau: -Phía tây tính từ đứt gãy Hương Hồ - Lương Qn làm giới hạn -Phía đơng đến tận biển Hội An -Phía bắc giới hạn từ khu Hương Điền vào -Phía nam tiến đến khu vực Phú Bài Trong phạm vi khống chế khu vực bồn trũng sơngHương có móng đá gốc cấu tạo đá thuộc hệ tầng Cô Bai (D2_ eb) hệ tầng Tân Lảm(D, 2« )Khu vực Huế móng đá gốc nằm độ sâu khoảng 50-7ŨIĨ1 Đến khu vực Long Thọ Kim Long đá gốc lộ mặt Bề mặt móng đá gốc bồn trũng sơng Hương có hướng nghiêng từ Tây sang Đỏng với độ dốc khoảng 5° 1.3.2.MÔ tả địa tầng Ở vùng trũng sơng Hương Micoxen ( ) có lớp sau: -Lóp cuội sỏi, lẫn tảng màu vàng xám đến màu trắng xám ÚNG DỤNG TỔNG HỢP CÁC MƠ HÌNH THỦY VẢN-TH ỦY L ự c Dự BÁO LŨ SÔNG HƯƠNG PGS.TS N guyẹn Hữu Khải, Trần Anh Phương Đại học Quốc gia Hà Nội Lưu vực sơng Hươỉỉg lưu vực sóng miền Trung khác cỏ phan thượng lưu dốc ngắn, tập trung nước nhanh, cịn phơn hạ lưu tươtiẹ đơi bang phang, thoát lũ chậm lại chịu ảnh hưởng thủy triều Vì càn có k ê t hợp cùa mơ hình thủy vân, thủy lực tính lốn dự báo lũ Bài bao trình bày kết ứng dụng tổng hợp mơ hình HECGeoHMS, HEC-HM S HEC-RAS đ ể tính tốn dự báo lũ sông Hương Với trận lũ lớn từ năm 1999 đến 2004 kết khả quan, mức bảo đảm xấp xỉ 90%, sai sô đinh phạm vi 5% Mơ hình cho phép nghiên cứu tác động việc sử dụng đ ấ t đến diễn biển lũ sông Hương Đặc điểm địa ]ý tự nhién sông Hương Sông Hương sông lớn thuộc tỉnh Thừa Thiên - Huế, diện tích 2830 km2 chiếm 56% diện tích tồn tính, hệ thống sóng Hương ba sịng nhánh lớn hợp thành sơng Tả Trạch, sông Hữu Trạch sông Bổ Sống Tả Trạch coi thượng lưu sông Hương, bắt nguồn từ vùng núi Mang (1.708m) sườn tây dãy Bạch Mã, sông Tả Trạch Hữu Trạch gặp ngã ba Tuần cách thành phô' Huế 10km phía thượng lưu sau chảy xi xuống ngã ba Sình cách thành phố Huế 8km phía bắc tiếp nhận thêm nhánh sổng Bổ chuyển hướng nam bắc đổ biển cửa Thuận An Bảng 1.1 Đặc trưng hình thái lưu vực sơng Hương Sơng Diện tích lưu vuc (krn2) Chiều dài sông (km) Độ cao (m) Đăc ‘ im g trung bình T Hệ số Chiểu Đỏ dốc uốn khúc rộng(m) (%) Mật độ lưới sõng Hương 2380 104 330 1,65 44,6 28,5 0,60 Hữu Trạch 729 51 326 1,51 14,6 29,0 0,64 12,7 27,4 0,64 Bổ - 938 94 384 1,85 Về khí hậu, sơng Hương nầm khu vực nhiệt đới nên lưu vực chịu ảnh hưởng chế độ xạ phong phú có nhiệt độ tương đối cao, đặc biệt lượng mưa lớn, mưa lũ lớn thường chịu ảnh hưởng đơn lẻ kết hợp nhiều hình thời tiết bao gồm: bão áp thấp nhiệt đới, gió mùa đơng bắc, gió đơng hội tụ nhiệt đới v ể đặc điểm lũ lưu vực, địa hình có độ dốc lớn đồng dải hẹp, thấp, trũng nên tốc độ tập trung nước vào sông suối nhanh, tốc độ truyền lũ Từ thượng lưu hạ lun lớn Hạ lưu địa hình thấp, tương đối phẳng tốc độ truyền lũ nhỏ, thoát lũ chậm gây ngập úng lớn nhiều ngày, thời gian lũ thường tập trung vào tháng X, XI lượng mưa lớn tập trung thời gian ngắn sinh 12 Đương qua tnnh lu cac sơng mién núi thường có đỉnh nhọn sơng đường q trình lũ thường gồm nhiều đính đinh lũ bẹt Đặc điểm lũ cho thấy cần thiết phải kết hợp mỏ hình thủy vãn, thủy lực tốn tính tốn, dự báo lũ sơng Hương Đay cũn° đặc điêm chung cua lưu vực sông miền Trung, tác giả sử dung mô hinh HEC-HMS cho phần thượng lưu HEC-RAS cho phần hạ lưu sông Khái qt mơ hình H EC-GEOHM S, HEC-HM S, HEC-RAS a M hình H E C -G eoH M S Mơ hình HEC- GeoHMS dựa vào đồ địa hình, đổ đất sử dụng đất lưu vực cho phép xây dựng mạng lưới sông suối lưu vực, đặc trưng vạt lý xác định thơng số phục vụ mơ hình HEC- HMS chí số CN thời gian tập trung nước lưu vực Các bưóc thực HEC-GeoHMS sau: - Địa hình: Ử dụng sơ' liệu địa hình dạng DEM (digital elevation model) số liệu đầu vào, xử lý địa hình bao gồm bước tính tốn để thu mạng lưới sông xác định lưu vực sông - Xác định đặc trưng lưu vực: dựa vào hệ thống sông suối vừa xác định bước ĨT IƠ hình xác định đặc trưng vật lý lưu vực: chiều dài sông, độ dốc sơng, diện tích lưu vực, trung tám lưu vực, độ dốc lưu vực, đường dòng chảy dài n h ấ t - Ước ỉượng thông số thủy vãn: số CN, thời gian tập trung nước lưu vực dựa thõng tin địa hình, đất sử dụng đất lưu vực - Chuyển kết sang mơ hình HEC-HMS 13 Trong đó: Q - lưu lượng chuyển qua mặt cắt ngang; q, - lượng gia nhập khu m ỗi đơn vị chiều dài; AT - tổng diện tích mặt cắt ngang; A - diện tích mặt căt ngang hoạt động; V - lưu tốc địng chảy trung bình mặt cắt; S| - độ dốc ma sát; z - cao độ đáy HEC-RAS sai phân hóa hệ phương trình SaintVenant với sơ đồ sai phân ẩn điểm giải cho kết nút (x,t) Kết ứng dụng tổng hợp mỏ hình a K ết hợp mị hình dự báo lủ sơng Hương Như nói với đặc điểm địa hình đặc trưng cho hộ thống sơng miền Trung việc kết hợp mơ hình thủy vãn, thủy lực u cầu khách quan tính tốn, dự báo lũ sơng Hương Trong báo mổ hình sử dụng HEC-HMS, HEC-RAS HEC-GeoHMS, HECGeoHMS mơ hình phụ trợ HEC-HMS, dựa vào đồ địa hình đặc điểm lớp phủ lưu vực tìm thơng số mơ hình HEC-HMS Mơ hình HEC-HMS nhận thơng số tạo từ HEC-GeoHMS thực diễn tốn mưa - dịng chảy sơng Hương từ thượng lưu đến ngã ba Tuần, sông Bổ từ thượng lưu trạm c ổ Bi HEC-RAS lấy kết đầu mơ hình HECHMS ngã ba Tuần trạm cổ Bi, sau diễn tốn hệ thống sõng đến cửa sơng với biên biên triều cửa sơng HEC-RAS (Diễn tốn trẽn sõng khu chứa) Của sơng Hình 3.1 Sơ đồ mơ lưu vực sơng Hương dựa theo kết hợp ba mơ hình b Sơ'liệu đầu vào Mơ hình HEC-GeoHMS: tác giả sử dụng đồ dialhình (DEM) kết hợp với đổ phân loại đ ất, sử dụng đất tỉnh Thừa Thiên - Huế, sau trích thơng tin liên quan đến lưu vực sông Hương b M ò hình HEC-HMS Mỏ hình HEC-HMS xây dựng để mơ q trình hình thành dịng chảy tạo nên từ mưa ưẻn lưu vực cách chia lưu vực thành ltni vưc đoạn sông Các lưu vực diên toán từ mưa theo cac bước sau: - Xác định lượne mưa bình quân lưu vực: dựa theo số liệu trạm mưa trọng số chúng người sử dụng mô hình đưa vào - Xác định lượng mưa hiệu quả: mơ hình HEC- HMS có nhiêu cách lựa chọn để tính lượng mưa hiệu quả, báo sử đụng phương pháp s c s Phương pháp s c s tính lượng mưa hiệu theo cơng thức sau: p e (P -ơ P_J°+S