Luận văn Nghiên cứu xây dựng bản đồngập lụt hạ lưu lưu vực sông Ba

LUẬN VĂN THẠC SỸ Nghiên cứu xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu lưu vực sông Ba i MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................... i DANH SÁCH CÁC BẢNG ..................................................................................... iii DANH SÁCH CÁC HÌNH....................................................................................... iv LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... vi MỞ ĐẦU .................................................................................................................. vii CHƯƠNG 1. ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ XÃ HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN NGẬP LỤT .................................................. 10 1.1. ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN LƯU VỰC NGHIÊN CỨU ................................... 10 1.1.1. Điều kiện tự nhiên [6] .............................................................................. 10 1.1.2. Đặc điểm mạng lưới sông ngòi [6] .......................................................... 15 1.1.3. Đặc điểm khí tượng – khí hậu [6] ........................................................... 19 1.1.4. Đặc điểm thủy văn [6] ............................................................................. 27 1.2. ĐIỀU KIỆN KINH TẾ XÃ HỘI [6] .............................................................. 29 1.2.1. Đặc điểm dân sinh kinh tế ....................................................................... 29 1.2.2. Đặc điểm kinh tế ...................................................................................... 29 1.3. TÌNH HÌNH NGẬP LỤT HẠ LƯU SÔNG BA [6] ...................................... 30 1.3.1. Tình hình ngập lụt .................................................................................... 30 1.3.2. Thiệt hại do ngập lụt ................................................................................ 30 1.3.3. Hiện trạng công trình phòng chống lũ và tiêu úng.................................. 32 1.3.4. Mục tiêu phòng chống lũ trên lưu vực ..................................................... 33 1.3.5. Phương án quy hoạch phòng chống lũ .................................................... 34 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT .......... 36 2.1. TỔNG QUAN CHUNG ................................................................................. 36 2.1.1. Khái niệm về bản đồ ngập lụt [1, 3] ........................................................ 36 2.1.2. Các phương pháp xây dựng bản đồ ngập lụt .......................................... 36 2.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH THỦY VĂN, THỦY LỰC TÍNH TOÁN NGẬP LỤT [3] ...................................................................................................... 37 2.2.1. Các mô hình mưa dòng chảy: .................................................................. 37 ii 2.2.2. Mô hình thủy lực: ..................................................................................... 38 2.2.3. Lựa chọn mô hình diễn toán .................................................................... 45 2.2.4. Cơ sở lý thuyết của mô hình .................................................................... 46 2.2.5. Các bước triển khai mô hình ................................................................... 61 2.3. GIỚI THIỆU QUY TRÌNH XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT ................ 62 2.3.1. Khái niệm hệ thống thông tin địa lý ........................................................ 62 2.3.2. Các phương pháp GIS xây dựng bản đồ ngập lụt [1, 2, 3, 5] ................. 64 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU 66 3.1. XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ..................................................................... 66 3.1.1. Tài liệu địa hình ....................................................................................... 66 3.1.2. Tài liệu thủy văn ...................................................................................... 69 3.1.3. Tài liệu điều tra vết lũ .............................................................................. 70 3.2. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY LỰC TÍNH TOÁN NGẬP LỤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU ...................................................................................................... 71 3.2.1. Mô hình mưa rào dòng chảy NAM [2] .................................................... 71 3.2.2. Mô hình EFDC [7, 8, 9, 10] .................................................................... 74 3.2.3. Kết quả mô phỏng quá trình ngập lụt bằng mô hình EFDC ................... 79 3.3. TÍNH TOÁN NGẬP LỤT THEO TẦN SUẤT 1%, 2%, 5% VÀ 10% ......... 87 3.4. XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT .............................................................. 89 3.4.1. Quy trình chuyển kết quả của mô hình EFDC sang GIS và xây dựng bản đồ ngập lụt ......................................................................................................... 89 3.4.2. Kết quả xây dựng bản đồ ngập lụt ........................................................... 93 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 103 iii DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1: Các đặc trưng chính của sông Ba và một số sông trong lưu vực ............... 16 Bảng 2: Tốc độ gió trung bình tháng và năm (Đơn vị: m/s) .................................... 20 Bảng 3: Nhiệt độ trung bình tháng và năm (Đơn vị: 0C) ......................................... 22 Bảng 4: Một số đặc trưng mưa năm (Đơn vị: mm) .................................................. 24 Bảng 5: Lượng mưa trung bình nhiều năm các tháng (Đơn vị: mm) ....................... 25 Bảng 6: Độ ẩm tuyệt đối trung bình tháng và năm (mb) .......................................... 26 Bảng 7: Độ ẩm tương đối trung bình tháng và năm (Đơn vị: %) ............................ 27 Bảng 8: Lưu lượng lũ lớn nhất tại một số trạm trên lưu vực sông Ba ..................... 28 Bảng 9: Thiệt hại một số năm do ngập lũ vùng hạ lưu sông Ba .............................. 31 Bảng 10: Đặc trưng mặt cắt ngang sông trong sơ đồ tính toán thủy lực ................. 66 Bảng 11: Thông số chính đập đâng Đồng Cam [6] ................................................. 68 Bảng 12: Bảng đánh giá kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM ..................................... 73 Bảng 13: Bộ thông số mô hình NAM ........................................................................ 74 Bảng 14: Vị trí các mặt cắt thực đo [6].................................................................... 77 Bảng 15: Chỉ tiêu đánh giá sai số thực đo và tính toán tại trạm Phú Lâm .............. 80 Bảng 16: Kết quả mô phỏng mực nước lũ tại các vị trí điều tra vết lũ .................... 80 Bảng 17: Chỉ tiêu đánh giá sai số thực đo và tính toán tại trạm Phú Lâm .............. 82 Bảng 18: Chỉ tiêu đánh giá sai số thực đo và tính toán tại trạm Phú Lâm .............. 84 Bảng 19: Thống kê diện tích ngập theo xã - phường hạ lưu sông Ba trận lũ tháng 11/2009 ................................................................................................................................... 85 Bảng 20: Tần suất lũ thiết kế tại trạm Củng Sơn - Sông Ba .................................... 88 Bảng 21: Diện tích lưu vực tại Củng Sơn và các vị trí nhập lưu ............................. 89 iv DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1. Bản đồ khu vực tỉnh Phú Yên (Tỉ lệ 1:600 000) .......................................... 11 Hình 2. Bản đồ mạng lưới sông lưu vực sông Ba ..................................................... 18 Hình 3. Sơ đồ vùng hạ lưu sông Ba từ Củng Sơn đến cửa Đà Rằng ............................ 19 Hình 4. Bản đồ phân bố lượng mưa mùa mưa (tỉ lệ 1: 100 000) ............................. 25 Hình 5. Bản đồ phân bố lượng mưa mùa khô (tỉ lệ 1: 100 000) .............................. 25 Hình 6. Cấu trúc mô hình NAM [2] ......................................................................... 47 Hình 7. Cấu trúc cơ bản mô hình EFDC [7, 10] ..................................................... 48 Hình 8. Cấu trúc mô hình thủy động lực học EFDC [7, 10].................................... 49 Hình 9. Miền lưới dạng Uniform Grid ..................................................................... 50 Hình 10. Miền mô hình tạo dạng Expanding Grid ................................................... 51 Hình 11. Miền mô hình tạo dạng Centerline Dominant ........................................... 52 Hình 12. Lưới cong được tạo theo tùy chọn Equi-Distance Widths ........................ 52 Hình 13. Bảng tính thời gian sử dụng mô hình [7] .................................................. 53 Hình 14. Sơ đồ xây dựng bản đồ ngập lụt bằng phương pháp GIS ......................... 64 Hình 15. Sơ họa vị trí mặt cắt từ trạm Củng Sơn tới cửa Đà Rằng ......................... 67 Hình 16. Mặt cắt ngang phổ biến sông Ba ............................................................... 68 Hình 17. Bản đồ cao độ số độ cao DEM 30m x 30m khu vực nghiên cứu ............... 69 Hình 18. Sơ hoạ vị trí điều tra tra vết lũ tháng 10/1993 .......................................... 70 Hình 19. Biểu đồ lưu lượng tại Củng Sơn thực đo và tính toán tháng 10/1993 ...... 71 Hình 20. Biểu đồ lưu lượng tại Củng Sơn thực đo và tính toán tháng 11/2003 ...... 72 Hình 21. Biểu đồ lưu lượng tại Củng Sơn thực đo và tính toán tháng 11/2009 ...... 72 Hình 22. Sơ hoạ phạm vi mô phỏng hạ lưu sông Ba ............................................... 75 Hình 23. Phần mềm Delft 3D ................................................................................... 75 Hình 24. Giao diện làm việc chính của Delft 3D ..................................................... 76 Hình 25. Cốt cao địa hình khu vực tính toán ........................................................... 77 Hình 26. Lưới tính toán và biên đầu vào cho mô hình ............................................. 78 Hình 27. Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo và tính toán trận lũ 10/1993 79 Hình 28. Mực nước tại thời điểm ngập lớn nhất ...................................................... 81 Hình 29. Trường vận tốc tại thời điểm ngập lớn nhất trận lũ tháng 10/1993 ......... 81 v Hình 30. Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo và tính toán trận lũ 11/2003 83 Hình 31. Trường vận tốc tại thời điểm ngập lớn nhất trận lũ tháng 11/2003 ......... 83 Hình 32. Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo và tính toán trận lũ 11/2009 84 Hình 33. Trường vận tốc tại thời điểm ngập lớn nhất trận lũ 11/2009 ................... 85 Hình 34. Ảnh vệ tinh hiện trạng ngập lụt khu vực sông Ba tháng 11/2009 ............. 87 Hình 35. Lưu lượng lớn nhất tại trạm Củng Sơn qua các năm ................................ 88 Hình 36. Đường tần suất lũ trạm Củng Sơn ............................................................. 89 Hình 37. Trích xuất kết quả độ sâu ngập lớn nhất từ mô hình EFDC ..................... 90 Hình 38. Nội-ngoại suy độ sâu ngập lụt lớn nhất bằng công cụ Vertical mapper .. 91 Hình 39. Nền DEM được tạo ra từ phép nội-ngoại suy độ sâu ngập lụt lớn nhất ... 91 Hình 40. Xây đựng đường contour phân cấp ngập lụt từ công cụ của vertical mappper ..................................................................................................................... 92 Hình 41. Bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Ba ứng với thời điểm ngập lụt lớn nhất tháng 10/2003 ...................................................................................................................... 94 Hình 42. Bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Ba ứng với thời điểm ngập lụt lớn nhất tháng 11/2009 ...................................................................................................................... 95 Hình 43. Bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Ba_Ứng với tần suất 1% ............................. 96 Hình 44. Bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Ba_Ứng với tần suất 2% ............................. 97 Hình 45. Bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Ba_Ứng với tần suất 5% ............................. 98 Hình 46. Bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Ba_Ứng với tần suất 10% ........................... 99 vi LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ khoa học: “Nghiên cứu xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu lưu vực sông Ba” được hoàn thành vào tháng 12 năm 2012 dưới sự hướng dẫn của TS. Huỳnh Thị Lan Hương. Tác giả xin bày tỏ sự cám ơn chân thành tới TS. Huỳnh Thị Lan Hương đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này, qua đây tác giả cũng bày tỏ sự cảm ơn chân thành tới PGS. TS Nguyễn Hữu Khải đã có những định hướng bước đầu khi tác giả bắt đầu thực hiện luận văn này. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong khoa Khí tượng – Thủy văn – Hải dương học đã giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất cho tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu luận văn. Trong khuân khổ của luận văn, do thời gian và điều kiện hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của độc giả và các đồng nghiệp. Hà Nội, Ngày tháng 12 năm 2012 Tác giả vii MỞ ĐẦU i. Đặt vấn đề Từ xưa tới nay lũ lụt luôn là mối đe dọa hàng đầu và đã gây ra nhiều thiệt hại về người và của. Cùng với sự tăng trưởng của các ngành kinh tế và sự phát triển của xã hội, đòi hỏi công tác quản lý, phòng chống thiên tai đặc biệt là lũ lụt nhằm đảm bảo mức độ an toàn ngày càng cao và hạn chế đến mức thấp nhất về thiệt hại. Trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội, việc khai thác tổng hợp tài nguyên nước cho các mục đích khác nhau trên các hệ thống sông thuộc miền Trung nói chung và lưu vực sông Ba nói riêng đã đem lại những giá trị to lớn về của cải xã hội đóng vai trò quan trọng cho các ngành kinh tế trong tỉnh như: du lịch, công nghiệp, thủy lợi, năng lượng, thủy sản, nông nghiệp... Sông Ba là một trong những con sông lớn ở miền trung Trung Bộ Việt Nam với tổng diện tích lưu vực 14.132 km2 nằm trên địa phận 3 tỉnh Gia Lai, ĐakLak và Phú Yên. Hàng năm, về mùa lũ, nước sông Ba dồn từ thượng lưu về gây ngập lụt nghiêm trọng cho hạ lưu sông Ba. Lũ đã gây ngập lụt, thiệt hại khá lớn về người và tài sản trên lưu vực. Mưa lũ gây chết người, nhà cửa bị ngập, bị sập, các công trình hạ tầng cơ sở như trường học, bệnh viện bị hư hỏng, đường sá cầu cống công trình thuỷ lợi bị sạt lở, bị vỡ và bồi lấp. Diện tích đất trồng trọt bị ngập lâu ngày làm cho lúa, hoa màu và các loại cây trồng khác bị chết gây thất thu. Theo thống kê một số năm gần đây cho thấy tình hình lũ lụt trên lưu vực ngày càng nghiêm trọng với mức độ thiệt hại có xu thế ngày càng tăng: Lũ năm 1990 thiệt hại 21,6 tỷ đồng; Lũ năm 1992 thiệt hại 51,5 tỷ đồng; Lũ năm 1993 thiệt hại 394 tỷ đồng; Lũ năm 1995 thiệt hại 17 tỷ đồng; Lũ năm 1999 thiệt hại 50 tỷ đồng. Năm 2009, lưu lượng nước về sông Ba do Trung Tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn tỉnh Phú Yên này đo được gần 15.000 m3/s nhưng đã làm cả hạ du ngập trắng, thiệt hại nặng cho vùng hạ du lưu vực sông Ba. [6] Do tính chất nghiêm trọng của lũ đối với vùng hạ lưu sông Ba, đồng thời hiện nay quy hoạch phòng chống lũ riêng cho lưu vực chưa được xây dựng nên việc cần thiết hiện nay là phải xây dựng cơ sở khoa học và thực tiễn nhằm đưa ra được viii phương án phòng chống lũ bảo vệ cho vùng hạ lưu sông Ba đồng thời phục vụ phát triển kinh tế xã hội trong vùng. Nhằm mục tiêu giảm thiểu các thiệt hại do lũ lụt gây ra, đề xuất các phương án phòng chống thông qua các cảnh báo về khả năng và diện tích ngập lụt ứng với các trận lũ khác nhau, nghiên cứu này tiên hành: “ Nghiên cứu xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu lưu vực sông Ba”. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở quy hoạch phòng chống lũ cho cả khu vực cũng như làm tài liệu tham khảo cho các nhà hoạch định chính sách và ra quyết định ở địa phương. ii. Ý nghĩa của bản đồ ngập lụt Bản đồ ngập lụt là một công cụ trực quan cho phép nắm bắt được khả năng ngập lụt khi dự báo được diễn biến mực nước ở một vị trí đặc trưng nào đó trong khu vực ngập. Điều này rất cần thiết cho các nhà quản lý khi quyết định xử lý tình huống khẩn cấp. Bản đồ ngập lụt nhằm: 1. Cho biết trước diện tích ngập, mức ngập tại bất kỳ điểm nào trong vùng ngập khi biết được cấp mực nước lũ tại điểm chốt. 2. Đánh giá nguy cơ thiệt hại hàng năm và việc phân tích chi phí - lợi ích của những dự án công trình phòng chống ngập lụt. 3. Tạo cơ sở lựa chọn và phối hợp các biện pháp phòng lụt và ngập úng. 4. Trợ giúp thực hiện phân vùng quản lý sử dụng đất trong khu vực thường xuyên ngập úng. 5. Tạo cơ sở nghiên cứu biện pháp phòng ngập trong xây dựng cơ bản. 6. Thiết kế và vận hành các công trình khống chế ngập úng. Việc thiết kế và vận hành các công trình khống chế ngập như hồ chứa, trạm bơm phải dựa vào nhiều tài liệu nghiên cứu, tính toán thuỷ văn, thuỷ lực trong đó bản đồ ngập lụt là tài liệu không thể thiếu. Quy trình Vận hành hồ chứa đã có ảnh hưởng rất lớn đến ngập lụt vùng hạ lưu, điều này cần được đánh giá đầy đủ hơn. ix iii. Mục tiêu, phương pháp: 1. Mục tiêu : Xây dựng bản đồ ngập lụt do ảnh hưởng của trận lũ thực năm 2009 và các bản đồ ngập lụt ứng với các tần suất lũ đặc trưng nhằm trợ giúp cho việc hoạch định các hoạt động kinh tế - xã hội trong trong khu vực hạ lưu sông Ba . 2. Phương pháp Hiện nay trên thế giới có 2 phương pháp được sử dụng để xây dựng bản đồ ngập lụt, đó là: a. Xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào điều tra các trận lũ lớn thực tế đã xảy ra. b. Xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào việc mô phỏng bằng các mô hình thủy văn, thủy lực. Luận văn này sử dụng phương pháp thứ 2, tập trung vào ứng dụng các mô hình thủy văn, thủy lực kết hợp với cơ sở dữ liệu GIS để xây dựng bản đồ ngập lụt. iv. Bố cục luận văn bao gồm Mở Đầu CHƯƠNG 1: Điều kiện tự nhiên và xã hội khu vực nghiên cứu liên quan đến ngập lụt CHƯƠNG 2: Cơ sở lý thuyết xây dựng bản đồ ngập lụt CHƯƠNG 3: Xây dựng bản đồ ngập lụt khu vực nghiên cứu Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo 10 CHƯƠNG 1. ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ XÃ HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN NGẬP LỤT 1.1. ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN LƯU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1.1. Điều kiện tự nhiên [6] a. Vị trí địa lý Lưu vực sông Ba nằm ở miền Trung Trung Bộ Việt Nam có hình dạng chữ L. Phạm vi lưu vực ở : 12035’ đến 14038’ vĩ độ Bắc và 108000’ đến 109055’ kinh độ Đông. Phía Bắc giáp lưu vực sông Trà Khúc; Phía Nam giáp lưu vực sông Cái và sông Sêrêpôk; Phía Tây giáp lưu vực sông Sêsan và sông Sêrêpôk; Phía Đông giáp lưu vực sông Kône, sông Kỳ Lộ và biển Đông. Diện tích tự nhiên toàn lưu vực là 14.132 km2 nằm trên địa phận hành chính của 15 huyện, thị thuộc 3 tỉnh Gia Lai, Đak Lăk và Phú Yên bao gồm hầu hết diện tích đất đai các huyện K‘bang, An Khê, KonchRô, Mưang Yang, A. Yunpa, K.Rông Pa, K.Rông H Năng, Mưa Rak, Sơn Hoà, sông Hinh, Tuy Hoà và thị xã Tuy Hoà và một phần diện tích các huyện Chư Sê, Ea H Leo, Krông Buk, Eaka. Tổng diện tích nông nghiệp 352.811 ha. Phú Yên là một tỉnh thuộc duyên hải Nam Trung Bộ, phía Bắc giáp tỉnh Bình Định, phía Nam giáp tỉnh Khánh Hòa, phía Tây giáp tỉnh Gia Lai và Đắc Lắc, phía Đông giáp Biển Đông. Diện tích tự nhiên toàn tỉnh là 5.045km2 giới hạn bởi tọa độ 12 0 39’ 10’’ đến 13045’20’’ độ vĩ bắc, 108039’45’’ đến 109029’20’’ độ kinh Đông. Có đường Quốc lộ 1A và đường sắt Bắc Nam chạy qua, có sân bay Đông Tác, cảng biển Vũng Rô. Đặc biệt phía Tây giáp ranh với vùng Tây Nguyên rộng lớn, được nối liền bằng quốc lộ 25, tỉnh lộ 645 và hưởng chung nguồn nước sông Ba. Phía Đông giáp Biển Đông với nhiều loài hải sản phong phú, trữ lượng lớn, có thể đánh bắt quanh năm. Bờ biển Phú Yên dài 198km chạy từ Cù Mông đ