Luận văn Nghiên cứu áp dụng mô hình mike flood để khoanh vùng nguy cơ ngập lụt cho địa bàn thành phố Hà Nội

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Phùng Đức Chính NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MÔ HÌNH MIKE FLOOD ĐỂ KHOANH VÙNG NGUY CƠ NGẬP LỤT CHO ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2012 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Phùng Đức Chính NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MÔ HÌNH MIKE FLOOD ĐỂ KHOANH VÙNG NGUY CƠ NGẬP LỤT CHO ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HÀ NỘI Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số : 604490 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. NGUYỄN TIỀN GIANG HÀ NỘI – 2012 3 MỤC LỤC MỤC LỤC ..............................................................................................................1 MỤC LỤC HÌNH....................................................................................................5 MỤC LỤC BẢNG...................................................................................................7 MỞ ĐẦU ................................................................................................................8 CHƯƠNG 1. TỒNG QUAN KHU VỰC NGHIÊN CỨU........................................9 1.1. Đặc điểm tự nhiên.............................................................................................9 1.1.1. Vị trí địa lý ................................................................................................9 1.1.2. Đặc điểm địa hình .....................................................................................9 1.1.3. Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng ................................................................11 1.1.4. Đặc điểm khí tượng, thủy văn ..................................................................12 1.1.5. Đặc điểm kinh tế - xã hội trên khu vực.....................................................20 1.2. Mạng lưới sông ngòi và các công trình thủy lợi có liên quan đến tiêu thoát nước trên địa bàn Hà Nội ...............................................................................................25 1.2.1. Mạng lưới sông ngòi................................................................................25 1.2.2. Hiện trạng các công trình thủy lợi liên quan đến tiêu thoát nước trên địa bàn thành phố Hà Nội .......................................................................................29 1.3. Khái quát tình hình ngập lụt trên địa bàn Hà Nội ............................................31 1.3.1. Ngập lụt do vỡ đê.....................................................................................31 1.3.2. Ngập lụt do mưa lớn nội đồng .................................................................32 1.3.3. Ngập lụt do úng nội đồng kết hợp lũ lớn trên sông gây vỡ đê bối.............32 CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP KHOANH VÙNG ..........................34 NGUY CƠ NGẬP LỤT ........................................................................................34 2.1. Cơ sở lý thuyết một số phương pháp khoanh vùng nguy cơ ngập lụt...............34 2.1.1. Một số khái niệm và định nghĩa ...............................................................34 2.1.2. Một số phương pháp khoanh vùng nguy cơ ngập lụt ................................35 2.1.3. Lựa chọn phương pháp khoanh vùng nguy cơ ngập lụt địa bàn thành phố Hà Nội...............................................................................................................40 4 2.2. Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE FLOOD .........................................................42 2.2.1. Giới thiệu chung ......................................................................................42 2.2.2. Các nguyên tắc kết nối trong mô hình MIKE FLOOD..............................42 2.2.3. Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 11 ............................................................46 2.2.4. Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 21 ............................................................50 2.2.5. Cơ sở lý thuyết mô hình NAM ..................................................................52 CHƯƠNG 3. ÁP DỤNG MÔ HÌNH MIKE FLOOD ĐỂ KHOANH VÙNG NGUY CƠ NGẬP LỤT CHO ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HÀ NỘI .....................................59 3.1. Xây dựng cơ sở dữ liệu...................................................................................59 3.2. Thiết lập mô hình một chiều MIKE 11............................................................59 3.2.1. Thiết lập mô hình thủy lực mạng sông .....................................................59 3.2.2. Tính toán các biên đầu vào cho mô hình MIKE 11 bằng mô hình NAM ...62 3.2.3. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE 11..............................................64 3.3. Thiết lập mô hình hai chiều MIKE 21.............................................................69 3.3.1. Thiết lập miền tính, lưới tính....................................................................69 3.3.2. Thiết lập địa hình miền tính .....................................................................71 3.3.3. Tính toán các biên đầu vào cho mô hình MIKE 21 bằng mô hình NAM ...72 3.4. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE FLOOD...........................................76 3.4.1. Hiệu chỉnh mô hình..................................................................................76 3.4.2. Kiểm định mô hình...................................................................................80 3.5. Khoanh vùng nguy cơ ngập lụt khu vực Hà Nội..............................................81 KẾT LUẬN........................................................................................................... 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 86 5 MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1. Bản đồ địa hình Hà Nội ......................................................................... 10 Hình 1.2. Phân bố lượng mưa trung bình tháng trạm Láng (1961-2010) ............... 15 Hình 1.3. Phân bố lượng mưa trung bình tháng trạm Sơn Tây (1961-2010) .......... 15 Hinh 1.4. Sơ đồ hệ thống các hồ chứa phía thượng nguồn sông Hồng ................... 18 Hình 1.5. Tổng sản phẩm quốc nội trên đầu người (GDP) của Hà Nội................... 21 Hình 1.6. Dân số trung bình khu vực Hà Nội từ năm 2005 đến 2009 ..................... 22 Hình 1.7. Giá trị sản xuất nông – lâm – thủy sản trên toàn Hà Nội từ 2005-2010... 24 Hình 1.8. Thống kê giá trị sản xuất công nghiệp trên toàn Hà Nội từ 2005-2010 ... 24 Hình 1.9. Bản đồ mạng lưới sông khu vực Hà Nội ................................................ 27 Hình 1.10. Sơ đồ hệ thống thoát nước lưu vực sông Tô Lịch và bắc sông Nhuệ..... 30 Hình 2.1. Sơ đồ các bước khoanh vùng nguy cơ ngập lụt bằng phương pháp sử dụng bản đồ địa hình, địa mạo........................................................................................ 37 Hình 2.2. Khoanh vùng nguy cơ ngập lụt sử dụng mô hình dòng chảy một chiều .. 38 Hình 2.3. Khoanh vùng nguy cơ ngập lụt sử dụng mô hình hồ............................... 38 Hình 2.4. Khoanh vùng nguy cơ ngập lụt sử dụng mô hình dòng chảy hai chiều ... 39 Hình 2.5. Các thành phần theo phương x và y ....................................................... 43 Hình 2.6. Các ứng dụng trong kết nối tiêu chuẩn ................................................... 44 Hình 2.7. Một ứng dụng trong kết nối bên ............................................................. 44 Hình 2.8. Một ví dụ trong kết nối công trình.......................................................... 45 Hình 2.9. a) Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott; b) Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t...................................................................................47 Hình 2.10. Nhánh sông với các điểm lưới xen kẽ................................................... 48 Hình 2.11. a) Cấu trúc các điểm lưới xung quanh điểm nhập lưu; b) Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vòng....................................................................................49 Hình 2.12. Cấu trúc của mô hình NAM ................................................................. 54 Hình 3.1. Sơ đồ tính toán thủy lực hệ thống sông chảy qua địa bàn Hà Nội ........... 60 Hình 3.2. Mặt cắt ngang tại vị trí 6.062 m trên sông Nhuệ..................................... 61 Hình 3.3. Phân chia các lưu vực con trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy....................... 63 6 Hình 3.4. Kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM tại Ba Thá từ 07/IX/1976 – 15/IX/1976 .............................................................................................................................. 64 Hình 3.5. Kết quả kiểm định mô hình NAM tại Ba Thá......................................... 64 Hình 3.6. Kết quả hiệu chỉnh mô hình MIKE 11 tại trạm Hà Nội .......................... 66 Hình 3.7. Kết quả hiệu chỉnh mô hình MIKE 11 tại trạm Ba Thá .......................... 67 Hình 3.8. Kết quả kiểm định mô hình MIKE 11 tại trạm Hà Nội ........................... 68 Hình 3.9. Kết quả kiểm định mô hình MIKE 11 tại trạm Ba Thá ........................... 68 Hình 3.10. Miền tính thủy lực hai chiều của khu vực nghiên cứu .......................... 70 Hình 3.11. Lưới địa hình miền tính trong mô hình MIKE 21 ................................. 71 Hình 3.12. Bản đồ cao độ số độ cao (Bathymetry) khu vực nghiên cứu ................. 72 Hình 3.13. Phân chia lưu vực của các lưu vực kết nối bên ..................................... 73 Hình 3.14. Vị trí các biên dạng điểm trong mô hình MIKE 21............................... 74 Hình 3.15. Kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM cho lưu vực Lâm Sơn từ 24/VIII/1975 – 31/VIII/1975....................................................................................................... 75 Hình 3.16. Kết quả kiểm định mô hình NAM cho lưu vực Lâm Sơn...................... 75 Hình 18. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Ba Thá ................................................ 77 Hình 3.19: Kết quả mô phỏng ngập lụt ngày 05/XI/2008....................................... 78 Hình 3.20: Ngập lụt chụp từ ảnh vệ tinh ngày 05/XI/2008..................................... 78 Hình 3.21. Kết quả mô phỏng ngập lụt ngày 07/XI/2008....................................... 78 Hình 3.22. Ngập lụt chụp từ ảnh vệ tinh ngày 07/XI/2008..................................... 78 Hình 3.23. Kết quả kiểm định mực nước tại Ba Thá (từ 16 đến 31/VIII năm 2006)80 Hình 3.24. Bản đồ khoanh vùng nguy cơ ngập lụt địa bàn thành phố Hà Nội ứng với mưa thiết kế 1%.....................................................................................................83 7 MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.1. Nhiệt độ trung bình tháng tại các trạm (1961-2010)...............................12 Bảng 1.2. Độ ẩm trung bình tháng tại các trạm (1961-2010)..................................13 Bảng 1.3. Lượng mưa trung bình tháng các trạm (1961 - 2010).............................14 Bảng 1.4. Bốc hơi trung bình tháng tại các trạm (1961 - 2010) ..............................15 Bảng 1.5. Lưu lượng trung bình tại các trạm 1961-2010 (m3/s)..............................17 Bảng 1.6. Dung tích các hồ chứa phía thượng nguồn sông Hồng ...........................17 Bảng 1.7. Các hồ trong nội thành Hà Nội ..............................................................29 Bảng 3.1. Số liệu mặt cắt, chiều dài lòng sông của khu vực nghiên cứu.................60 Bảng 3.2. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình NAM tại Ba Thá...................64 Bảng 3.3. Hệ số nhám tại một số vị trí mặt cắt trong hệ thống sông.......................65 Bảng 3.4. Kết quả hiệu chỉnh mô hình MIKE 11 ...................................................66 Bảng 3.5. Kết quả kiểm định mô hình MIKE 11 ....................................................67 Bảng 3.6. Kết quả phân chia lưu vực của các kết nối bên.......................................74 Bảng 3.7. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình NAM cho lưu vực Lâm Sơn .75 Bảng 3.8. Kết quả tính toán diện tích ngập các vùng ứng với trận mưa lũ tháng XI năm 2008...............................................................................................................79 Bảng 3.9. Tổng lượng mưa 3 ngày lớn nhất tại các trạm (mm)..............................81 Bảng 3.10. Kết quả tính toán diện tích ngập các vùng ứng với mưa thiết kế 1% ....82 8 MỞ ĐẦU Hà Nội là một trong hai trung tâm kinh tế, văn hóa và chính trị lớn của đất nước. Do vị trí Hà Nội nằm ở bờ Hữu Sông Hồng, có nền địa hình không bằng phẳng, thấp, trũng nhất là khu vực phía Nam thành phố nên thường bị ngập lụt trong mùa mưa. Người Hà Nội không thể nào quên trận mưa gây ngập lịch sử từ ngày 30/X/2008 đến ngày 07/XI/2008. Tổng lượng mưa từ ngày 30/X đến ngày 02/XI tại các khu vực như sau: Láng 563.2mm, Hà Đông 812.9mm, Hà Nội 541mm, Thượng Cát 593.2mm, Sóc Sơn 412mm, Trâu Quỳ 33.4mm, Đông Anh 566mm, Thanh Trì 499.9mm, Ứng Hòa 603 mm, Thanh Oai 914 mm. Tại khu vực nội thành, mưa lớn chia cắt nhiều khu dân cư, tính đến ngày 03/XI/2008 có 63 điểm ngập úng nặng làm giao thông hỗn loạn, nhiều xe cộ ngập nước, đa số các công sở ngừng hoạt động, nguy cơ bệnh tật bùng phát... Trong trận mưa gây ngập lụt này ở Hà Nội có khoảng 20 người chết, thiệt hại khoảng 3.000 tỷ đồng. Luận văn “Nghiên cứu áp dụng mô hình MIKE FLOOD để khoanh vùng nguy cơ ngập lụt cho địa bàn thành phố Hà Nội” được hình thành với mục đích khoanh vùng các các khu vực có nguy cơ ngập lụt để giúp các đơn vị quản lý, các nhà hoạch định chính sách… nắm được khả năng ngập lụt có thể xảy ra tại các khu vực từ đó tiến hành các giải pháp kịp thời nhằm chủ động ứng phó; giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt gây ra trong mùa mưa -lũ. Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn, học viên nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS.TS. Nguyễn Tiền Giang, sự quan tâm giúp đỡ của các thầy cô, của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, học viên xin chân thành cảm ơn. 9 CHƯƠNG 1. TỒNG QUAN KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1. Đặc điểm tự nhiên 1.1.1. Vị trí địa lý Thành phố Hà Nội nằm ở phía tây bắc của vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng có tọa độ từ 20°53' đến 21°23' vĩ độ Bắc và 105°44' đến 106°02' kinh độ Đông, phía Bắc giáp tỉnh Thái Nguyên, phía Đông giáp tỉnh Bắc Giang và Bắc Ninh, phía Đông Nam giáp tỉnh Hưng Yên, phía Nam và Tây Nam giáp tỉnh Hòa Bình, phía Tây Bắc giáp tỉnh Vĩnh Phúc. Sau đợt mở rộng địa giới hành chính vào tháng 8 năm 2008, Hà Nội có diện tích tự nhiên khoảng 3.344,7 km² gồm: thị xã (thị xã Sơn Tây), 10 quận nội thành (Ba Đình, Cầu Giấy, Tây Hồ, Đống Đa, Hai Bà Trưng, Thanh Xuân, Long Biên, Hoàng Mai, Hoàn Kiếm, Hà Đông) và 18 huyện ngoại thành (Đông Anh, Sóc Sơn, Thanh Trì, Từ Liêm, Gia Lâm, Ba Vì, Đan Phượng, Hoài Đức, Phúc Thọ, Thạch Thất, Quốc Oai, Thanh Oai, Chương Mỹ, Thường Tín, Phú Xuyên, Ứng Hòa, Mỹ Đức và Mê Linh). 1.1.2. Đặc điểm địa hình Địa hình Hà Nội thấp dần theo hướng từ Bắc xuống Nam và từ Tây sang Đông với ba phần tư diện tích tự nhiên là đồng bằng, nằm ở hữu ngạn sông Đà, hai bên sông Hồng và chi lưu các sông khác. Phần diện tích đồi núi chủ yếu nằm ở các huyện Sóc Sơn, Ba Vì, Quốc Oai, Mỹ Đức, với các đỉnh như Ba Vì cao 1.281 m, Da Dê (thuộc dãy núi Ba Vì) cao 707 m, núi Hàm Lợn hay còn gọi là núi Chân Chim (huyện Sóc Sơn) cao 462 m, Thiên Trù (huyện Mỹ Đức) cao 378 m.... Tiếp giáp với vùng núi cao là một vùng đồi núi thấp chạy dài từ chân núi Ba Vì xuống đến Chương Mỹ. Tính phân bậc của địa hình đồi gò không rõ ràng, gồm những bậc có độ cao 200-150m, 150-100m, 100-50m, 50-20m và nhỏ hơn 25m. Địa hình vùng đồng bằng không phức tạp, song cũng không hoàn toàn bằng phẳng. Các huyện phía Nam là một vùng đất trũng tiếp liền với cánh đồng chiêm trũng Hà Nam và Nam Định (Hình 1.1). 10 Hình 1.1. Bản đồ địa hình Hà Nội 11 1.1.3. Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng 1) Địa chất Các thành tạo địa chất trên địa bàn Hà Nội gồm các đá biến chất, trầm tích, trầm tích phun trào và trầm tích bở rời có tuổi từ Protezozoi đến hiện đại. Theo các tài liệu địa chất từ trước đến nay, lịch sử phát triển địa chất Hà Nội được chia làm 3 giai đoạn lớn: giai đoạn Neoproterozoi – Cambri sớm, giai đoạn paleozoi giữa và giai đoạn Neogen. Trong giai đoạn Neoproterozoi – Cambri sớm, khu vực Hà Nội trải qua chế độ địa máng, hình thành các thành tạo phun trào và lục địa nguyên – cacbonat. Đến paleozoi giữa, chế độ địa máng này kết thúc, diễn ra các quá trình uốn nếp, granit hóa, các trầm tích bị biến chất thành các phiến đá thạch anh, quariz và đá hoa để hình thành vỏ lục địa cổ. Vào Neogen, do sự tái hoạt động mạnh mẽ của các đứt gãy sâu sông Lô toàn vùng đã hình thành cấu trúc dạng khối tảng. Dọc các đứt gãy diễn ra quá trình tách dãn tạo địa hình lún chìm, nước biển lấn sâu vào lục địa để lắng đọng hệ tầng Vĩnh Bảo. Đến Đệ Tứ các quá trình lún chìm và nâng cao diễn ra có tính chu kỳ dẫn đến biển tiến vào đầu Holocen muộn cùng với quá trình lắng đọng trầm tích với những kiểu nguồn gốc khác nhau để hình thành các hệ tầng Hà Nội, Vĩnh Phúc, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình. 2) Thổ nhưỡng Trên địa bàn Hà Nội có bốn loại đất chính: đất phù sa trong đê, đất phù sa ngoài đê, đất bạc màu và đất đồi núi. Đất phù sa trong đê là loại đất màu mỡ do các hệ thống sông bồi đắp từ hàng nghìn năm trước có độ pH từ 6÷7, hàm lượng mùn và chất dinh dưỡng khá cao, thích hợp với nhiều loại cây trồng. Đất phù sa ngoài đê là loại đất rất màu mỡ, tập trung chủ yếu ở các bãi bồi ven sông và các bãi giữa sông. Hàng năm chúng được bồi đắp khi lũ về. 12 Nhóm đất bạc màu phát triển chủ yếu trên đất phù sa cổ tập trung nhiều ở hai huyện Đông Anh và Sóc Sơn. Đây là loại đất chua, nghèo dinh dưỡng, thành phần cơ giới nhẹ, rời rạc khi khô cạn, kết dính khi gặp nước. Nhóm đất đồi núi tập trung chủ yếu ở các huyện Ba Vì, Sóc Sơn, Thạch Thất, Quốc Oai, Chương Mỹ, Mỹ Đức, và thị xã Sơn Tây. Trong đó khu vực đất đồi núi tập trung chủ yếu ở các huyện Ba Vì, Mỹ Đức, Sóc Sơn, phổ biến là đất feralit với tầng đất mỏng, thích hợp trồng rừng phòng hộ, cây công nghiệp dài ngày và cây dược liệu. Khu vực đất gò đồi tập trung chủ yếu ở các huyện còn lại, phổ biến là đất feralit lẫn với nhóm bạc màu và feralit phát triển trên đá trầm tích. 1.1.4. Đặc điểm khí tượng, thủy văn 1) Đặc điểm khí tượng Hà Nội nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa nóng ẩm có mùa Hè nóng ẩm, mưa nhiều với nền nhiệt độ không khí cao và mùa Đông lạnh, ít mưa với nền nhiệt độ không khí tương đối thấp. Theo chuỗi số liệu quan trắc các trạm khí tượng Hà Nội (trạm Láng) và Hà Đông từ năm 1971 đến 2009, đặc điểm chính của khí tượng Hà Nội như sau: Nhiệt độ Nhiệt độ trung bình năm ở trạm Láng là 23.70C và ở Hà Đông là 23.50C. Nhiệt độ trung bình các tháng mùa hè (V-X) ở trạm Láng là 27.80C và ở Hà Đông là 27.40C. Nhiệt độ trung bình các tháng mùa đông (XI-XII,I-IV) ở Hà Nội là 19.60C và ở Hà Đông là 19.40C (Bảng 1.1). Bảng 1.1. Nhiệt độ trung bình tháng tại các trạm (1961-2010) Đơn vị: 0C Trạm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Năm Láng 16.5 17.4 20.1 24.0 27.4 28.9 29.2 28.6 27.5 25.0 21.5 18.2 23.7 Sơn Tây 16.3 17.3 20.1 23.8 27.1 28.6 28.9 28.3 27.2 24.7 21.2 17.9 23.4 Hà Đông 16.4 17.4 20.0 23.7 26.7 28.7 29.0 28.3 26.9 24.5 21.1 17.6 23.4 13 Độ ẩm Độ ẩm không khí trung bình năm tại Láng là 82% và tại Hà Đông là 85%. Thời kỳ cuối mùa hè đến đầu mùa Đông (XI-XII) là thời kỳ tương đối khô, độ ẩm trung bình tháng tại Láng chỉ 78% và tại Hà Đông từ 82%. Thời kỳ từ tháng II-III là thời kỳ ẩm ướt do có mưa phùn nên đây là các tháng có độ ẩm trung bình cao nhất trong năm, tại Láng độ ẩm đạt 86%, tại Hà Đông độ ẩm đạt 89%. Biên độ độ ẩm trong ngày chỉ từ 20-30%, các tháng giữa mùa mưa độ ẩm tương đối lớn, trung bình từ 82-84% tại Hà Nội và 87% tại Hà Đông (Bảng 1.2). Bảng 1.2. Độ ẩm trung bình tháng tại