Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy Phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất một số lưu vực sông thượng nguồn miền trung

Mục lục

Lời cam đoan.... 5

Danh mục chữ viết tắt 6

Danh mục bảng biểu . 7

Danh mục hình vẽ .. 8

Mở đầu .. 10

Chương 1. Tổng quan các nghiên cứu về mưa lũ ở miền trung. cơ sở lý thuyết mô hình mưa – dòng chảy và phương pháp SCS

.. 15

1.1. Tổng quan các nghiên cứu và mô hình toán phục vụ sử dụng hợp lý tài

nguyên đất và nước lưu vực sông ... 15

1.1.1. Nghiên cứu, áp dụng mô hình toán để tính toán và dự báo mưa lũ trên thế

giới và ở nước ta 15

1.1.2. Nghiên cứu mưa lũ và tài nguyên nước trên địa bàn nghiên cứu 18

1.2. Cơ sở lý thuyết lớp mô hình toán mưa - dòng chảy .. 20

1.2.1. Mô hình thủy động lực học... 26

1.2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng trong mô hình sóng động học

một chiều. .. 28

1.3. Phương pháp SCS 39

1.3.1. Giới thiệu phương pháp SCS . 39

1.3.2. Phát triển SCS... 41

Chương 2. điều kiện địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội một số lưu vực thượng nguồn Miền Trung trong mối liên quan với quá trình mưa – dòng chảy 45

2.1. Điều kiện địa lý tự nhiên . 45

2.1.1 Vị trí địa lý 45

2.1.2 Địa hình 45

2.1.3. Địa chất, thổ nhưỡng 50

2.1.4. Thảm thực vật .. 54

2.1.5. Khí hậu 57

2.1.6. Mạng lưới thuỷ văn các lưu vực sông nghiên cứu . 58

2.2. Điều kiện kinh tế xã hội .. 61

2.2.1. Thừa Thiên - Huế . 61

2.2.2. Quảng Nam .. 62

2.2.3. Quảng Ngãi .. 63

2.3. Đặc điểm mưa, dòng chảy và các biện pháp phòng lũ. 65

2.3.1. Đặc điểm mưa, dòng chảy trên các lưu vực nghiên cứu. 65

2.3.2 Các biện pháp phòng lũ trên các lưu vực nghiên cứu.. 66

Chương 3. Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy bằng mô hình sóng động học một chiều, phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS . 68

3.1. Nâng cao tính ổn định và độ chính xác của phương pháp phần tử hữu hạn mô

phỏng không gian – thời gian trong mô hình sóng động học một chiều .. 68

3.1.1. Các vấn đề về tính ổn định và độ chính xác khi giải phương trình sóng

động học bằng phương pháp phần tử hữu hạn . 68

3.1.2. Các sơ đồ số để giải phương trình sóng động học . 71

3.1.3. Một số thuật toán giải hệ phương trình vi phân phi tuyến tính trong mô

hình phần tử hữu hạn sóng động học một chiều .. 75

3.1.4. Thực nghiệm số, đánh giá độ ổn định, độ chính xác của các sơ đồ số và thuật toán phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho mô hình sóng động học một chiều ... 77

3.2. Hiệu chỉnh phương pháp SCS, nâng cao khả năng mô phỏng lũ trên các lưu vực sông ngòi Miền Trung . 80

3.2.1. Sử dụng SCS nâng cao khả năng mô phỏng lưu vực .. 80

3.2.2. Nâng cao khả năng mô phỏng của phương pháp SCS 82

3.2.3. Thực nghiệm số công thức tính độ sâu tổn thất ban đầu trên một số lưu

vực Miền Trung. 83

3.3 Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy đối với một số lưu

vực sông thượng nguồn Miền Trung... 87

3.3.1. Phân tích và xử lý số liệu.. 87

3.3.2. Xây dựng bộ thông số .. 88

3.3.3. Xây dựng mô hình và chương trình tính toán 94

3.3.4. Kết quả mô phỏng 95

3.3.5. Nhận xét... 99

Chương 4. ứng dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy phục vụ dự báo lũ và sử dụng hợp lý tài nguyên nước,

đất trên các lưu vực sông thượng nguồn miền trung.. 103

4.1 ứng dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy phục vụ dự báo lũ sông Trà Khúc – trạm Sơn Giang 103

4.1.1. Dự báo thử nghiệm mưa gây lũ tại lưu vực sông Trà Khúc–Sơn Giang 105

4.1.2. Dự báo lũ ... 107

4.2. ứng dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa dòng chảy phục vụ sử dụng hợp

lý tài nguyên đất trên lưu vực ... 109

4.2.1. Đánh giá ảnh hưởng của quá trình sử dụng lớp phủ đất đô thị đến sự hình thành lũ 110

4.2.2. Đánh giá ảnh hưởng của lớp phủ rừng đến sự hình thành lũ 114

4.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của quá trình sử dụng lớp phủ đất đô thị đồng thời thay đổi thảm phủ thực vật trên lưu vực sông Tả Trạch - trạm Thượng Nhật . 117

4.2.4 Xây dựng bổ sung hồ chứa trên các lưu vực nghiên cứu, tăng cường khả

năng cắt lũ làm giảm mực nước hạ du. . 118

4.3. Kết quả và thảo luận.. 121

4.3.1. Về việc phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước 121

4.3.2. Về việc phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên đất ... 122

Kết luận và kiến nghị.. 124

Danh MụC CáC CÔNG TRìNH CÔNG Bố LIÊN QUAN TớI LUậN áN 127 tài liệu Tham khảo ... 129 phụ lục 147

Phụ lục 1. Các bản đồ sử dụng trong luận án 148

Phụ lục 2. Các trận lũ dùng để hiệu chỉnh và kiểm định mô phỏng bằng mô hình

KW – 1D . 156

Phụ lục 3. Kết quả đánh giá các kịch bản sử dụng đất trên các lưu vực bằng mô

hình KW – 1D . 163

Phụ lục 4. Giao diện và các thực đơn chính của phần mềm KW-1D MODEL . 175

Mở đầu

1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Miền Trung là nơi hứng chịu nhiều thiên tai lũ lụt vào loại bậc nhất ở nước ta. Đã có nhiều công trình nghiên cứu giải quyết vấn đề này nhằm góp phần giảm nhẹ những hậu quả do thiên tai lũ lụt gây ra. Hướng tích cực nhất là nâng cao hiệu quả của công tác cảnh báo và dự báo lũ, từ đó đề ra những biện pháp thích hợp để phòng, tránh, trong đó đề cao vai trò của công tác quy hoạch sử dụng đất. Các phương pháp dự báo truyền thống trước đây như phương pháp lưu lượng mực nước tương ứng hay sử dụng các mô hình tương quan và mô hình thông số tập trung đã mang lại những hiệu quả tích cực. Việc diễn toán dòng chảy từ trạm thuỷ văn đầu nguồn về hạ lưu ở Trung tâm Dự báo Khí tượng Thuỷ văn Trung ương khá chính xác, đạt độ đảm bảo tương đối tốt. Tuy nhiên, thực tế thường gặp phải hai vấn đề lớn làm cho công tác dự báo lũ vẫn chưa đáp ứng được bài toán thực tiễn. Đó là: (1) do các sông ở khu vực này thường ngắn và dốc, thời gian tập trung nước nhanh nên việc phát các bản tin dự báo dựa trên số liệu quan trắc mưa và lưu lượng tuyến trên thường có thời gian dự kiến ngắn, không đủ để triển khai các biện pháp phòng chống thích hợp và (2) do chưa sử dụng các mô hình thông số dải, có khả năng diễn toán dòng chảy tốt hơn. Nhằm góp phần khắc phục các vấn đề nêu trên, tác giả thực hiện “Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất một số lưu vực sông thượng nguồn Miền Trung” nhằm góp phần nâng cao chất lượng công tác cảnh báo, dự báo dòng chảy lũ từ mưa, đồng thời phục vụ quản lý tài nguyên nước và đất theo hướng điều tiết dòng chảy lưu vực. Mô hình sóng động học một chiều phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS – là một mô hình thông số dải, sử dụng đầu vào là mưa dự báo từ các mô hình khí tượng

được sử dụng để mô phỏng dòng chảy lũ nhằm tăng độ chính xác và thời gian dự kiến của các dự báo lũ tại các trạm thuỷ văn đầu nguồn, làm cơ sở cho việc nâng caotính hiệu quả của công tác dự báo lũ trên toàn lưu vực.

2. Mục tiêu

Mục tiêu của luận án là xác lập cơ sở khoa học để xây dựng mô hình toán mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy, có khả năng dự báo lũ và phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất trên các lưuvực sông thượng nguồn ở Miền Trung.

3. Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi khoa học của luận án là nghiên cứu các mô hình toán mưa – dòng chảy nhằm lựa chọn và xây dựng được một mô hình thích hợp để diễn toán quá trình lũ từ mưa trong các điều kiện địa lý tự nhiên ở Miền Trung. Phạm vi lãnh thổ là một số lưu vực sông thượng nguồn: Tả Trạch đến Thượng Nhật (đại diện cho các lưu vực phía Bắc Trung Bộ), Thu Bồn đến Nông Sơn, Trà Khúc đến Sơn Giang và Vệ đến An Chỉ (đại diện cho các lưu vực Nam Trung Bộ) đủ điều kiện áp dụng mô hình toán thủy văn đã lựa chọn và cũng là các sông diễn ra lũ ác liệt trong những năm gần đây.

4. Những đóng góp mới

1) Phân tích các mô hình toán mưa – dòng chảy và luận giải việc xây dựng một mô hình toán trên cơ sở mô hình sóng động học một chiều (KW - 1D), sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS là thích hợp với các lưu vực sông vùng thượng nguồn ở Miền Trung.

2) Nâng cao tính ổn định và độ chính xác của mô hình KW - 1D qua sự nghiên cứu và lựa chọn sơ đồ tính nhằm mô tả chính xác không gian, thời gian bằng lý luận và thực nghiệm số kết hợp vận dụng, hiệu chỉnh phương pháp SCS để tính thấm, nâng cao khả năng mô phỏng các điều kiện mặt đệm các lưu vực sông vùng thượng nguồn ở Miền Trung

3) Xây dựng được một mô hình toán đủ khả năng dự báo lũ đồng thời là công cụ tư vấn về việc sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất trên các lưu vực sông Miền Trung, gồm:

a) Triển khai thành công lưới các phần tử cho các lưu vực sông tự nhiên vàbộ thông số của mô hình;

b) Xây dựng chương trình tính và phần mềm để dự báo dòng chảy lũ từ mưacũng như phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất các lưu vực sông;

c) Định lượng hóa ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị và lớp phủ rừng đến sự hình thành đỉnh và tổng lượng lũ qua các kịch bản sử dụng đất.

5. Luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1. Kết quả mô phỏng lũ trên một số lưu vực sông thượng nguồn Miền Trung với độ đảm bảo đạt từ khá đến tốt cho thấy việc lựa chọn và xây dựng mô hình toán trên cơ sở mô hình sóng động học một chiều, phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS là thích hợp để mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy.

Luận điểm 2. Mô hình sóng động học một chiều, phương pháp phần tử hữu hạn và SCS được ứng dụng đem lại hiệu quả hữu ích phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất trên các lưu vực sông thể hiện trên hai khía cạnh chính:

(1) dự báo lũ, đặc biệt khi kết hợp với mô hình số dự báo mưa có độ phân giải cao để tăng thời gian dự kiến và

(2) đánh giá định lượng ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị và lớp phủ rừng đối với quá trình hình thành đỉnh và tổng lượng lũ.

6. ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

1) Hoàn thiện một phương pháp mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy trên các lưu vực sông thượng nguồn.

2) Kết quả của luận án có thể sử dụng làm công cụ giải quyết các vấn đề thực tiễn về sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất trên lưu vực sông theo hướng phát triển bền vững

7. Phương pháp nghiên cứu:

Các phương pháp nghiên cứu chính trong luận án:

1) Phương pháp phần tử hữu hạn;

2) Phương pháp SCS;

3) Phương pháp mô hình toán thuỷ văn và