Mô phỏng ngập lụt hạ du sông Long Đại khi xét đến điều tiết lũ hồ chứa nước Rào Đá

Là cẩm nang để các cơ quan đơn vị quản lý Nhà nước thực hiện tốt công tác phòng chống, giảm nhẹ thiên tai; do đó đề tài Luận văn: “Mô phỏng ngập lụt hạ du sông Long Đại khi xét đến điều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Hùng

Phản biện 1: TS HOÀNG NGỌC TUẤN

Phản biện 2: TS TÔ THÚY NGA

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật xây dựng công trình thủy họp tại Trường Đại học

Bách khoa vào ngày 11 tháng 11 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại trường Đại học Bách khoa

- Thư viện Khoa Xây dựng Thủy lợi – Thủy điện, trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hồ chứa Rào Đá được xây dựng trên sông Rào Đá, là một nhánh sông Long Đại, thuộc địa bàn xã Trường Xuân - huyện Quảng Ninh - tỉnh Quảng Bình Cách trung tâm huyện Quảng Ninh 13,8km về phía Đông Bắc, cách thành phố Đồng Hới 21km về hướng Bắc

Do tác hại lớn của mưa lũ gây ảnh hưởng lớn đến đời sống, kinh tế - xã hội của các địa phương nên ngoài những thông tin dự báo của các hệ thống khí tượng thủy văn Việc xây dựng một hệ thống công

cụ mô phỏng ngập lụt hạ du của hồ Rào Đá có sự hổ trợ của công nghệ thông tin để xác định mức độ ngập lụt là hết sức cần thiết cho

cơ quan quản lý hồ, các ban ngành hữu quan và nhân dân vùng hạ

du Là cẩm nang để các cơ quan đơn vị quản lý Nhà nước thực hiện tốt công tác phòng chống, giảm nhẹ thiên tai; do đó đề tài Luận văn:

“Mô phỏng ngập lụt hạ du sông Long Đại khi xét đến điều tiết hồ chứa Rào Đá” là rất cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Để mô phỏng các kịch bản vận hành hồ chứa ứng với các tần suất lũ xác định, nhằm nâng cao hiệu quả giảm lũ và không gây tác động tiêu cực cho vùng hạ du, trong khi vẫn đảm bảo an toàn hồ chứa Đồng thời giúp chủ động ứng phó khi có mưa lũ xảy ra, nhằm hạn chế thiệt hại đến mức thấp nhất

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Để tính toán mô phỏng ngập lụt cho vùng hạ du, xây dựng những kịch bản ứng với các tần suất lũ: P = 1%; P = 5%; P = 10%

4 Phạm vi, đối tượng nghiên cứu của đề tài

- Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực hạ lưu hồ chứa nước Rào Đá

- Đối tượng nghiên cứu: Mô phỏng ngập lụt hạ lưu sông Long Đại, khi điều tiết xả lũ hồ chứa nước Rào Đá, tỉnh Quảng Bình theo

các kịch bản đã nêu ở mục 3 nói trên

5 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sẽ sử dụng các phương pháp nghiên cứu:

5.1 Phương pháp phân tích thống kê:

5.2 Phương pháp kế thừa các kết quả nghiên cứu liên quan: 5.3 Phương pháp mô hình hóa:

5.4 Phương pháp thống kê khách quan:

6 Ý nghĩa thực tiễn đề tài

Người dân sống hai bờ hạ lưu sông Long Đại khi đến mùa mưa

lũ nhà cửa ruộng vườn thường xuyên bị ngập lụt, gia súc, gia cầm bị cuốn trôi, gây thiệt hại nghiêm trọng Các biện pháp dự báo hiện nay chủ yếu dựa vào bản tin thời tiết và thông báo xã lũ của đơn vị quản

lý hồ chứa Do vậy nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của việc xã lũ ở

hồ chứa đến ngập lụt hạ lưu, sẽ làm cơ sở cho công tác chủ động ứng phó khi có mưa lũ xảy ra, nhằm hạn chế thiệt hại đến người, tài sản ở mức thấp nhất

7 Cấu trúc luận văn

Cấu trúc ngoài phần mở đầu và kết luận gồm 4 chương như sau:

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

LŨ LỤT VÀ VẬN HÀNH HỒ CHỨA

1.1 Tình hình nghiên cứu lũ lụt

1.1.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài

1.1.2 Các nghiên cứu trong nước

1.2 Các nghiên cứu lũ lụt liên quan đến hạ du sông Long Đai

do điều tiết hồ Rào Đá

1.2.1 Các nghiên cứu liên quan đến hạ lưu sông Long Đại 1.2.2 Đặc điểm, tình hình điều tiết lũ hồ chứa nước Rào Đá

1.3 Cơ sở để đánh giá tình hình ngập lụt khu vực hạ du sông Long Đại

Định hướng nghiên cứu mô phỏng ngập lụt hạ du sông Long Đại khi điều tiết xã lũ hồ Rào Đá, là tập trung nghiên cứu những vấn đề

cụ thể về tình hình lũ và ngập lụt từ hạ du hồ chứa dọc sông Rào Đá,

đỗ về hạ lưu sông Long Đại, đến hạ du sông Kiến Giang và sông Nhật Lệ về đến cửa biển Nhật Lệ theo các phương án điều tiết hồ Rào Đá ứng với các tần suất lũ P=1%, P=5% và P=10%, qua phân tích, tổng hợp xác định lựa chọn các nhân tố có tác động chính ảnh hưởng đến mức độ ngập lụt vùng hạ du lưu vực theo các phương án vận hành Từ đó, xác định mức độ ảnh hưởng, tác động tích cực của việc vận hành hồ chứa nước Rào Đá đến hạ lưu sông Long Đại Sau cùng là tiến hành mô phỏng ngập lụt theo các phương án

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN - XÃ HỘI

VÀ CÁC MÔ HÌNH DÙNG MÔ PHỎNG NGẬP LỤT HẠ LƯU SÔNG LONG ĐẠI KHI XÉT ĐẾN ĐIỀU TIẾT LŨ HỒ CHỨA

NƯỚC RÀO ĐÁ 2.1 Điều kiện địa lý tự nhiên

2.2 Điều kiện kinh tế xã hội

2.2.1 Hiện trang giao thông trong vùng ảnh hưởng

2.2.2 Dân sinh -Kinh tế

2.2.3 Đặc điểm dân số

2.3 Thông số cơ bản của hồ chứa nước Rào Đá

2.3.1 Nhiệm vụ của công trình

2.3.2 Loại và cấp công trình

2.3.3 Các chỉ tiêu thiết kế chính của các công trình đầu mối

2.4 Các mô hình dùng tính toán mô phỏng ngập lụt hạ lưu sông Long Đại khi xét đến điều tiết lũ hồ chứa nước Rào Đá

2.4.1 Giới thiệu mô hình thủy văn MiKe UHM

2.4.2 Mô hình thủy lực MIKE FLOOD

2.4.2.1 Mô hình thủy lực một chiều MIKE 11

2.4.2.2 Mô hình thủy lực MIKE 21

2.4.2.3 Mô hình thủy lực Mike Flood

CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỦY VĂN MIKE UHM,

MÔ HÌNH THỦY LỰC MIKE FLOOD CHO LƯU VỰC HẠ LƯU SÔNG LONG ĐẠI VÀ MÔ HÌNH VẬN HÀNH ĐIỀU

TIẾT HỒ CHỨA NƯỚC RÀO ĐÁ 3.1 Dữ liệu thu thập để tính toán

3.1.1 Nguồn tài liệu thu thập

3.1.2 Công trình cống Mỹ Trung

3.1.3 Sơ đồ mặt bằng khu vực

Hình 3.1: Sơ đồ mặt bằng sông Nhật Lệ, Kiến Giang, Long Đại, Rào Đá; hồ Rào Đá; trạm thủy văn Đồng Hới; cống Mỹ Trung

3.2 Tính lũ nhập lưu

3.2.1 Phân chia lưu vực nghiên cứu

Hình 3.2: Bản đồ phân chia lưu vực nhập lưu

Bảng 3.1: Tổng hợp thông số chính lưu vực nhập lưu

3.2.2 Kết quả tính lũ nhập lưu hạ lưu sông Long Đại ứng với các trận lũ năm 2010 và 2016 bằng mô hình MiKe UHM

* Kết quả tính lũ nhập lưu năm 2010:

Hình 3.3: Kết quả lũ nhập lưu năm 2010

* Kết quả tính lũ nhập lưu năm 2016:

Hình 3.4: Kết quả lũ nhập lưu năm 2016

3.3 Xây dựng mô hình thủy lực Mike Flood cho lưu vực hạ lưu sông Long Đại

3.3.1 Mô hình thủy lực Mike 11

Minh họa trong hình 3.5, hình dạng 1 mặt cắt ngang sông, suối được minh họa trong hình 3.6 dưới đây:

Hình 3.5: Sơ đồ mạng lưới tính toán thủy lực hạ lưu sông Long Đại

Hình 3.6: Hình dạng 01 mặt cắt ngang trong sơ đồ thủy lực

3.3.2 Mô hình thủy lực MIKE 21

Dùng sơ đồ thủy lực vừa xây dựng trong Mike 11 kết nối với mô hình Mike 21, với các thông số đã có trong mô hình Mike 21 mô phỏngmô hình thủy lực 2 chiều cho lưu vực hạ lưu sông Long Đại ở

hình 3.7 sau:

Hình 3.7 Mô hình thủy lực 2 chiều lưu vực hạ lưu sông Long

Đại

3.3.3 Mô hình thủy lực MIKE FLOOD

Hình 3.8 Mô hình Mike Flood kết nối mô hình Mike 11 với Mike 21

3.4 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình:

3.4.1 Tính toán hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực

- Hiệu chỉnh: Trận lũ từ: 01h ngày 14/10/2010 đến 01h ngày 18/10/2010

- Kiểm định: Trận lũ từ: 07h ngày 13/10/2016 đến 01h ngày 17/10/2016

3.4.2 Kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy lực trận lũ năm 2010

Hình 3.10: Kết quả mực nước hiệu chỉnh mô hình thủy lực tại cống

Mỹ Trung (trận lũ từ 01h ngày 14/10/2010 đến 01h ngày 18/10/2010) Bảng 3.2: Đánh giá sai số kết quả mô phỏng trận lũ năm 2010

Hình 3.11: Kết quả mô phỏng cao độ ngập trận lũ tháng 10/2010

Kết quả thực đo và tính toán độ sâu ngập lụt trận lũ năm 2010 có

sự chênh lệch tại các điểm đo trong khoảng -0.02m đến +0.35m (thể hiện ở bảng 3.3, trang 73, của luận văn)

3.4.3 Kết quả kiểm định mô hình thủy lực trận lũ năm 2016

Kết quả thực đo với mô phỏng đường quá trình mực nước, đỉnh

lũ tại cống Mỹ Trung thể hiện ở hình 3.12 và bảng 3.4 sau:

Hình 3.12: Kết quả mực nước kiểm định mô hình thủy lực tại cống

Mỹ Trung (trận lũ từ 07h ngày 13/10/2016 đến 01h ngày 17/10/2016)

Bảng 3.4: Đánh giá sai số kết quả mô phỏng với thực đo trận lũ

năm 2016

Chỉ tiêu so sánh

Cống Mỹ Trung

Bên cạnh kết quả kiểm định sai lệch đỉnh lũ và hệ số tương quan

ở trên, số liệu khảo sát về độ sâu ngập lụt đã được sử dụng để kiểm định mô hình cho ra kết quả ở hình 3.13 và bảng 3.5 sau:

Hình 3.13: Kết quả mô phỏng cao độ ngập trận lũ tháng 10/2016

Kết quả thực đo và tính toán độ sâu ngập lụt trận lũ năm 2016 có

sự chênh lệch tại các điểm đo trong khoảng -0.10m đến +0.37m (thể hiện ở bảng 3.5, trang 76, của luận văn)

3.4.4 Đánh giá chung

3.5 Tính lũ nhập lưu ứng với các tần suất P=1%, P=5% và P=10%

3.5.1 Tính toán mưa 1 ngày max và 5 ngày max

Bảng 3.6: Kết quả tính toán mưa theo tần suất trạm Kiến Giang

3.5.2 Tính toán đỉnh lũ, dòng chảy lũ đến hồ Rào Đá

Bảng 3.7: Kết quả tính toán lưu lượng đỉnh lũ của hồ Rào Đá

Hồ Rào Đá

b Đường quá trình lũ đến hồ Rào Đá

Hình 3.14: Đường quá trình lũ hồ Rào Đá

3.5.3 Tính toán điều tiết lũ hồ Rào Đá với các tần suất

3.5.4 Tính lũ nhập lưu hạ lưu sông Long Đại

Từ kết quả tính toán tần suất mưa 5 ngày, phân phối lại quá trình mưa 6h Sau đó, từ các thông số đã có trong mô hình MIKE UHM, tính toán lại lưu lượng lũ nhập lưu

Bảng 3.10: Kết quả tính toán lũ nhập lưu hạ du sông Long Đại

STT Tên lưu vực Lưu lượng đỉnh lũ, Qmax (m

Bảng 4.1: Các kịch bản mô phỏng

Kịch

Tần suất (P%)

2 Tràn tháo lũ thường xuyên xảy ra Tần suất P = 5%

3 Tràn tháo lũ thường xuyên xảy ra Tần suất P = 10%

4.2 Mô phỏng các kịch bản

4.2.1 Các bước mô phỏng kịch bản

4.2.2 Các điều kiện biên khi có sự điều tiết lũ của hồ chứa nước Rào Đá

* Biên điều tiết lưu lượng hồ Rào Đá ứng với các tần suất

Hình 4.1: Biên lưu lượng xả từ hồ Rào Đá kịch bản P=1%,

P=5%, P=10%

* Biên lưu lượng nhập lưu hạ du sông Long Đại

Hình 4.2: Biên lưu lượng nhập lưu hạ du sông Long Đại kịch bản 1

(P=1%)

Hình 4.3: Biên lưu lượng nhập lưu hạ du sông Long Đại kịch bản 2

(P=5%)

Hình 4.4: Biên lưu lượng nhập lưu hạ du sông Long Đại kịch

bản 3 (P=10%)

*Biên hạ lưu: Lấy mực nước triều đo tại cửa Nhật Lệ

Hình 4.5: Biên triều tại cửa Nhật Lệ

* Tần suất P=10%

Hình 4.8: Mực nước tại cống Mỹ Trung tần suất P=10%

b Kết quả mô phỏng cao độ ngập theo các kịch bản

* Kịch bản P=1%

Hình 4.9: Kết quả mô phỏng cao độ ngập kịch bản P=1%

c Kết quả mô phỏng ngập vào ArcGis để thống kê diện tích ngập theo từng cao độ ngập và đưa kết quả thống kê từ ArsGis lên Google Earth theo các kịch bản

* Kịch bản P=10%

Hình 4.14: Kết quả mô phỏng cao độ ngập kịch bản 10%

d Thống kê diện tích ngập theo từng cao độ

Bảng 4.2: Bảng thống kê diện tích ngập theo các kịch bản

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận:

- Để hoàn chỉnh được luận văn tác giả đã thu thập, chỉnh lý một

số lượng lớn bao gồm các tài liệu khí tượng thủy văn, địa hình để thiết lập bản đồ số vùng hạ lưu sông Long Đại; thu thập các vết lũ để phục vụ việc thiết lập mô hình thủy văn – thủy lực Đồng thời áp dụng nhiều công cụ thống kê, các công thức kinh nghiệm, các mô hình toán để phục vụ tính toán

- Khai thác mô hình Mike Flood (Mike UHM, Mike 11 và Mike 21) của DHI – Đan Mạch, tính toán lũ nhập lưu và tiến hành mô phỏng thủy lực cho hạ du sông Long Đại có sự điều tiết lũ của hồ chứa nước Rào Đá ứng với các tần suất khác nhau Đây là công cụ chính để phân tích bài toán phòng chống lũ hạ lưu sông Long Đại khi

có sự điều tiết lũ của hồ Rào Đá

- Theo các kịch bản: Với tần suất lũ thiết kế P=1% tổng diện tích ngập 153,46km2, khu vực bị ảnh hưởng 151,85km2 (từ cao trình 5m trở xuống); Với tần suất lũ P=5% tổng diện tích ngập 119,10km2, khu vực bị ảnh hưởng 118,81km2 (từ cao trình 5m trở xuống); Với tần suất lũ P=10% tổng diện tích ngập 87,11km2, khu vực bị ảnh hưởng 87,09km2 (từ cao trình 5m trở xuống) Với các kết quả này sẽ góp phần giúp các cơ quan quản lý nhà nước, đặc biệt là đơn vị quản

lý hồ có cơ sở để hàng năm xây dựng kế hoạch phòng chống ngập lụt

hạ du sông Long Đại phù hợp hơn và khi có mưa lũ xảy ra sẽ có các giải pháp phòng chống có hiệu quả, hạn chế thiệt hại cho các địa phương bị ngập lụt

- Với bộ thông số đã hiệu chỉnh và kiểm định sẽ là cơ sở để tính toán ngập lụt cho các tần suất lũ khác

- Kết quả của luận văn có thể làm cơ sở để đề xuất xây dựng các công trình vượt lũ, chống sạt khu vực hạ lưu sông Long Đại nhằm bảo vệ dân cư, phát triển kinh tế xã hội

Kiến nghị:

- Hiện nay thượng nguồn hồ Rào Đá (là sông chính Rào Đá đổ

về hồ Rào Đá), hạ lưu sông Long Đại không có trạm đo mưa, mực nước đề nghị Công ty TNHH một thành viên KTCTTL Quảng Bình

bố trí trạm quan trắc nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng công tác

dự báo ngập lụt để điều tiết hồ Rào Đá giảm ngập lụt cho hạ du

- Ngoài ra, mô phỏng ngập lụt trong luận văn này chỉ dựa trên một số kịch bản giả định nên kết quả của luận văn chưa phản ảnh được hết thực tế Để đáp ứng yêu cầu thực tiễn Do thời gian thực hiện luận văn có hạn, tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu, bổ sung tính toán ngập lụt với các tần suất lũ khác và tính toán so sánh thêm giữa mức

độ ngập lụt khi có sự điều tiết của hồ Rào Đá với khi chưa có điều tiết của hồ

- Mức độ tin cậy của mô phỏng ngập lụt phụ thuộc rất nhiều vào các số liệu đầu vào như: Cao độ địa hình, địa vật, thảm phủ, Trong phạm vi luận văn này, dữ liệu cao độ địa hình từ bản đồ Dem nên có

sự sai khác đáng kể, số liệu địa hình mặt cắt ngang sông còn chưa đủ chi tiết, dẫn đến độ chính xác chưa cao Cần tiếp tục bổ sung dữ liệu trong lưu vực tính toán để có được kết quả chính xác hơn