Tài liệu Mô phỏng lũ trên lưu vực sông trà bồng - quảng ngãi và tính toán các giải pháp chống ngập quốc lộ 1a

i LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ “Mô phỏng lũ trên lưu vực sông Trà Bồng - Quảng Ngãi và Tính toán các giải pháp chống ngập Quốc lộ 1A”. Đây là một đề tài phức tạp và khó khăn trong cả việc thu thập, phân tích thông tin số liệu và cả những vấn đề liên quan đến đề xuất các giải pháp cụ thể. Tuy vậy, trong quá trình triển khai thực hiện tác giả đã cố gắng đến mức cao nhất để hoàn thành luận văn với khối lượng và chất lượng tốt nhất có thể. Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của thầy cô, bạn bè và gia đình. Trước hết tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và trân trọng tới TS Nguyễn Mai Đăng, người Thầy đã chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ tác giả rất tận tình trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành luận văn. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Phòng Đào tạo đại học và sau đại học, Khoa Thủy văn & Tài nguyên nước của trường Đại học Thủy lợi và toàn thể các thầy cô đã giảng dạy, giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập cũng như thực hiện luận văn. Nhân dịp này, tác giả xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ viên chức Đài Khí tượng Thủy văn khu vực đồng bằng Bắc Bộ, Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Trung Trung Bộ và những đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả trong quá trình thực hiện luận văn. Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các bạn bè, người thân trong gia đình đã động viên, ủng hộ, chia sẻ và là chỗ dựa tinh thần giúp tác giả tập trung nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn. Do thời gian nghiên cứu không dài, trình độ và kinh nghiệm thực tiễn chưa nhiều nên luận văn chắc chắn không thể tránh được những hạn chế và thiếu sót. Tác giả kính mong các thầy, cô giáo, đồng nghiệp đóng góp ý kiến để kết quả nghiên cứu được hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày …. tháng…. năm 2014 Học viên Phạm Văn Hanh ii CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sĩ “Mô phỏng lũ trên lưu vực sông Trà Bồng - Quảng Ngãi và Tính toán các giải pháp chống ngập Quốc lộ 1A” là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Mai Đăng. Đây không phải là bản sao chép của bất kỳ một cá nhân, tổ chức nào. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn đều do tôi thực hiện và đánh giá. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi trình bày trong luận văn này. Hà Nội, ngày …. tháng…. năm 2014 Học viên Phạm Văn Hanh iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.................................................................................... 4 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu: .................................................................. 4 1.1.1 Trên thế giới ............................................................................................... 4 1.1.2 Trong nước................................................................................................. 5 1.2 Điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội lưu vực sông Trà Bồng .................... 6 1.2.1 Vị trí địa lý .................................................................................................. 6 1.2.2 Đặc điểm địa hình ...................................................................................... 7 1.2.3 Đặc điểm địa chất và thổ nhưỡng ............................................................ 8 1.2.4 Đặc điểm thảm phủ thực vật .................................................................... 9 1.2.5 Đặc điểm mạng lưới sông ngòi. ............................................................... 9 1.2.6 Đặc điểm khí hậu .................................................................................... 11 1.2.7 Bão và các hình thế thời tiết đặc biệt ..................................................... 16 1.2.8 Định hướng phát triển kinh tế xã hội .................................................... 17 1.3 Mạng lưới các trạm Khí tượng Thủy văn trên lưu vực sông Trà Bồng ... 18 1.3.1 Trạm khí tượng ....................................................................................... 18 1.3.2 Trạm thuỷ văn ......................................................................................... 18 CHƯƠNG 2 : TÌNH HÌNH SỐ LIỆU VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC MÔ HÌNH ỨNG DỤNG ........................................................................................ 21 2.1 Thu thập và xử lý số liệu khí tượng thủy văn ............................................. 21 2.2 Giới thiệu mô hình MIKE NAM .............................................................. 22 2.3 Giới thiệu mô hình MIKE11 ..................................................................... 24 2.4 Giới thiệu mô hình MIKE21 và MIKE Flood ......................................... 26 2.4.1 Mô hình thủy lực 2 chiều MIKE 21. ....................................................... 26 2.4.2 Mô hình mô phỏng lũ MIKE Flood. ...................................................... 27 CHƯƠNG 3 : HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH CÁC MÔ HÌNH PHỤC VỤ TÍNH TOÁN NGẬP LỤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU ...................................... 29 iv 3.1. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE NAM ........................................ 29 3.2. Tính toán biên đầu vào cho mô hình thủy lực ........................................... 34 3.2.1 Biên trên lưu lượng ................................................................................. 34 3.2.2 Biên dưới mực nước ................................................................................ 36 3.3 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực một chiều MIKE11 .............. 38 3.3.1 Số hoá mạng lưới sông trong mô hình ................................................... 38 3.3.2 Hiệu chỉnh mô hình................................................................................. 42 3.3.3 Kiểm định mô hình .................................................................................. 43 3.4 Ứng dụng mô hình thủy lực hai chiều (2D) MIKE 21 và MIKE Flood tính toán ngập lụt khu vực nghiên cứu.............................................................. 44 3.4.1 Thiết lập lưới tính toán. ........................................................................... 44 3.4.2 Thiết lập địa hình tính toán..................................................................... 45 3.4.3 Tạo hệ số nhám phân bố trong miền mô phỏng 2 chiều thuộc lưu vực sông Trà Bồng ................................................................................................... 47 3.4.4 Mô phỏng phương án hiện trạng (PAHT) ............................................ 48 CHƯƠNG 4 : PHÂN TÍCH, ĐỀ XUẤT VÀ TÍNH TOÁN CÁC PHƯƠNG ÁN CHỐNG NGẬP QUỐC LỘ 1A............................................................................. 56 Phân tích và đề xuất các phương án .................................................................. 56 4.1 Đề xuất nâng cấp tuyến đường quốc lộ 1A qua lưu vực Trà Bồng........... 57 4.2 Đề xuất tuyến tránh phía Đông và tính toán chống ngập QL1A .............. 61 4.2.1 Thiết lập lưới tính toán phương án tuyến tránh phía Đông .................. 64 4.2.2 Kết quả nghiên cứu bằng mô hình ......................................................... 65 4.2.3 Đề xuất phương án làm cầu cạn ............................................................. 66 4.3 Đề xuất tuyến tránh phía Tây và tính toán chống ngập QL1A (PA3) ..... 68 4.3.1 Thiết lập lưới tính phương án tuyến tránh phía Tây ............................. 71 4.3.2 Kết quả mô phỏng thuỷ lực ..................................................................... 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 77 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Bản đồ hành chính huyện Bình Sơn ............................................................ 7 Hình 1.2 : Bản đồ mạng lưới trạm khí tượng thuỷ văn .............................................20 Hình 2.1 : Cấu trúc mô hình MIKE NAM .................................................................23 Hình 3.1 : Tính đa giác Thiessen cho lưu vực An Chỉ ..............................................30 Hình 3.2: Quá trình lũ thực đo và tính toán lũ năm 1999 khi hiệu chỉnh mô hình...31 Hình 3.3: Quá trình lũ thực đo và tính toán lũ năm 2003 khi kiểm định mô hình ....32 Hình 3.4 : Sơ đồ phân chia các lưu vực bộ phận sông Trà Bồng .............................34 Hình 3.5: Quá trình trận lũ năm 2003 lưu vực Trà Bồng .........................................35 Hình 3.6: Quá trình trận lũ năm 2009 lưu vực Trà Bồng .........................................35 Hình 3.7: Quá trình trận lũ tần suất 4% lưu vực sông Trà Bồng .............................36 Hình 3.8: Quá trình triều trạm Cổ Luỹ trận lũ thasng10/2003 ................................37 Hình 3.9: Quá trình triều trạm Cổ Luỹ trận lũ tháng 9/2009 ...................................37 Hình 3.10: Số hóa mạng lưới sông Trà Bồng ...........................................................38 Hình 3.11 : Các loại cống trên quốc lộ 1A ...............................................................41 Hình 3.12: Quá trình mực nước thực đo và tính toán trạm Châu Ổ năm 2003 .......42 Hình 3.13 : Quá trình mực nước thực đo và tính toán trạm Châu Ổ .......................43 Hình 3.14: Miền chia lưới phi cấu trúc trong mô hình 2D .......................................44 Hình 3.15 : Địa hình khu vực tính toán thủy lực 2D ................................................45 Hình 3.16 : Địa hình khu vực nghiên cứu dưới dạng 3D .........................................46 Hình 3.17: Lưới tính khu vực nghiên cứu dạng 3D ..................................................46 Hình 3.18: Hệ số nhám phân bố trong miền mô phỏng 2 chiều thuộc lưu vực sông Trà Bồng....................................................................................................................47 Hình 3.19: Hiện trạng tuyến đường quốc lộ 1A khi chưa xảy ra lũ .........................49 Hình 3.20: Hiện trạng tuyến đường quốc lộ 1A sau khi xảy ra lũ ............................50 Hình 3.21: Trắc dọc lưu tốc và lưu lượng đơn vị đoạn Km1032+500 đến Km1034+800 – QL1A ...............................................................................................51 Hình 3.22 : Trắc dọc mực nước đoạn Km1032+500 đến Km1034+800 – QL1A ...51 Hình 3.23 : Trắc dọc mực nước đoạn Km1037+000 đến Km1038+000 – QL1A ...52 Hình 3.24 : Trắc dọc lưu tốc và lưu lượng đơn vị đoạn Km1037+000 đến Km1038+000 – QL1A ...............................................................................................52 vi Hình 3.25: Bản đồ độ sâu ngập lúc 29/09/2009 lúc 16:00h cách 6 tiếng trước khi lũ đạt đỉnh......................................................................................................................53 Hình 3.26 : Bản đồ độ sâu ngập lúc 29/09/2009 lúc 20:00h cách 3 tiếng trước khi lũ đạt đỉnh......................................................................................................................53 Hình 3.27: Bản đồ độ sâu ngập lúc 29/09/2009 lúc 23:00h thời điểm lũ đạt đỉnh ..53 Hình 3.28: Bản đồ độ sâu ngập lúc 30/09/2009 lúc 2:00h cách 3 tiếng sau khi lũ đạt đỉnh ............................................................................................................................ 53 Hình 4.1: Bản đồ các phương án thiết kế tuyến tránh ..............................................57 Hình 4.2: Vị trí các đoạn đường thuộc QL1A được nâng cấp. .................................59 Hình 4.3: Ngập trên lưu vực thời điểm đỉnh lũ ứng với phương án .........................59 thiết kế nâng cấp QL1A .............................................................................................59 Hình 4.4: Thiết lập lưới tính toán phương án thiết kế ..............................................64 Hình 4.5: Địa hình phương án thiết kế tuyến tránh phía Đông dạng 3D .................64 Hình 4.6: Ngập trên lưu vực thời điểm đỉnh lũ 4% ứng với phương án thiết kế tuyến tránh Châu Ổ ở hạ lưu ..............................................................................................65 Hình 4.7: Trắc dọc mực nước đoạn Km1032+500 đến Km1034+100 QL1A trước và sau khi có tuyến tránh Châu Ổ (P=4%) ...............................................................65 Hình 4.8: Thiết kế cầu cạn cho khu vực tuyến tránh từ Km 1034 đến Km 1038. .....67 Hình 4.9: Mực nước trên đoạn tuyến quốc lộ 1A từ Km...........................................67 1032 đến 1034 trước và sau khi làm cầu cạn ...........................................................67 Hình 4.10: Lưới tính phương án tuyến tránh phía Tây .............................................71 Hình 4.11: Địa hình tuyến tránh phía Tây dạng 3D .................................................71 Hình 4.12: Kết quả mô phỏng ngập phương án tuyến tránh phía tây kết hợp với nâng cấp đoạn tuyến Km 1030 – Km 1034 ...............................................................72 Hình 4.13 : Vị trí các điểm trích xuất kết quả mực nước..........................................73 Hình 4.14: Mực nước của ba phương án tại vị trí KCN Làng Nghề Bình Nguyên ..74 Hình 4.15: Mực nước của ba phương án tại vị trí xóm Chí Nguyện, .......................74 Xã Bình Trung ...........................................................................................................74 Hình 4.16 : Mực nước của ba phương án tại thị trấn Châu Ổ ................................75 gần Km 1035 + 600...................................................................................................75 Hình 4.17: Mực nước của ba phương án tại thị trấn Châu Ổ gần thôn Long Vĩnh 75 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 : Đặc trưng hình thái của các sông suối chính trong và lân cận vùng nghiên cứu .................................................................................................................10 Bảng 1.2 : Nhiệt độ bình quân tháng, năm tại các trạm trong vùng nghiên cứu .....12 Bảng 1.3 : Nhiệt độ không khí tối cao trung bình tháng và năm tại các trạm..........13 trong vùng nghiên cứu ..............................................................................................13 Bảng 1.4 : Nhiệt độ không khí tối thấp trung bình tháng và năm tại các trạm ........13 trong vùng nghiên cứu ..............................................................................................13 Bảng 1.5 : Nhiệt độ không khí tối cao tuyệt đối tháng và năm tại các trạm ............13 trong vùng nghiên cứu ..............................................................................................13 Bảng 1.6 : Nhiệt độ không khí tối thấp tuyệt đối tháng và năm tại các trạm ...........13 trong vùng nghiên cứu ..............................................................................................13 Bảng 1.7 : Số giờ nắng bình quân tháng trung bình nhiều năm trạm ( giờ) .........14 Bảng 1.8 : Độ ẩm bình quân tháng trung bình nhiều năm ( %) .............................14 Bảng 1.9: Độ ẩm tương đối thấp nhất tuyệt đối ( %) ...............................................15 Bảng 1.10 : Lượng bốc hơi ống piche bình quân tháng trung bình nhiều năm ( mm) ...................................................................................................................................15 Bảng 1.11 : Tốc độ gió trung bình tháng và lớn nhất tại các trạm (m/s) ................16 Bảng 1.12 : Thống kê các trạm khí tượng- thủy văn trong và lân cận ....................19 vùng nghiên cứu ........................................................................................................19 Bảng 2.1 : Các trạm khí tượng được dùng trong tính toán thủy văn ........................21 Bảng 3.1 :Một số thông tin ứng dụng mô hình MIKE NAM cho trạm An Chỉ .........29 Bảng 3.2: Thống kê kết quả đánh giá sai số trận lũ hiệu chỉnh mô hình năm 1999 trạm An Chỉ. ..............................................................................................................31 Bảng 3.3: Thống kê kết quả đánh giá sai số trận lũ kiểm định mô hình năm 2003 trạm An Chỉ ...............................................................................................................32 Bảng 3.4: Bộ thông số mô hình MIKE NAM lưu vực An Chỉ ...................................33 Bảng 3.5: Bảng thống kê các mặt cắt trên sông Trà Bồng .......................................38 viii Bảng 3.6: Thông số các mặt cắt sông mô phỏng trong mô hình Mike 11 ................39 Bảng 3.7: Bảng thống kê đoạn tuyến bị ngập trên quốc lộ 1A. ................................48 Bảng 3.8: Thống kê ngập lụt tại các đoạn tuyến trên quốc lộ 1A đoạn qua thị trấn Châu Ổ ......................................................................................................................55 Bảng 4.1: Thống kê các công trình trong phương án nâng cấp QL1A.....................58 Bảng 4.2: Thống kê ngập tại một số vị trí trong phương án nâng cấp đường .........60 Bảng 4.3: Thống kê các công trình trong phương án tuyến tránh phía Đông..........62 Bảng 4.4: Thống kê các công trình trong phương án tuyến tránh phía Tây ............69 Bảng 4.5: Thống kê các vị trí trích xuất kết quả .......................................................73 Bảng 4.6: Thống kê cao trình ngập lớn nhất tại các vị trí kiểm tra .........................76 1 MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu chung Lưu vực sông Trà Bồng bao gồm hầu hết huyện Trà Bồng và huyện Bình Sơn. Diện tích lưu vực khoảng 697km2, chiều dài 56 km, chiều rộng 12,4 km [9]. Sông Trà Bồng nằm ở phía Bắc tỉnh, bắt nguồn từ dãy núi phía Tây của huyện Trà Bồng, chảy qua huyện Bình Sơn ra biển tại cửa Sa Cần. Hướng chảy cơ bản của sông từ Tây sang Đông, đoạn cửa sông có hướng rẽ sang hướng Nam- Bắc. Phần lớn sông chảy qua vùng địa hình rừng núi có độ cao 200- 1.300 m, phần còn lại chảy trong vùng đồng bằng xen đồi trọc và bãi cát [9]. Phía thượng nguồn của sông Trà Bồng có nhiều phụ lưu gồm nhiều sông suối, đáng kể như suối Nun, suối Cà Đú, sông Trà Bói ở các xã Trà Thủy, Trà Giang. Sông Trà Bồng có 5 nhánh cấp I. Ở vùng hạ lưu còn có các nhánh sông suối nhỏ, hợp nước vào sông chính trước khi đổ ra biển. Theo định hướng phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Quảng Ngãi trong tương lai các huyện Trà Bồng và Bình Sơn thuộc lưu vực sông Trà Bồng sẽ hình thành nên nhiều trung tâm kinh tế mới, kết cấu cơ sở hạ tầng sẽ được đầu tư nâng cấp và xây dựng đồng bộ. Khu kinh tế dung quất sẽ trở thành khu vực phát triển trọng điểm của huyện Bình Sơn. Đây sẽ là một trong những trung tâm đô thị - công nghiệp - dịch vụ của vùng kinh tế trọng điểm miền Trung và là một trong những đầu mối giao lưu quốc tế quan trọng khu vực miền Trung và Tây Nguyên. Những năm gần đây, do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, những trận bão và mưa lớn xảy ra càng khốc liệt hơn. Mùa bão trong khu vực này thường kéo dài từ tháng 8 đến tháng 12, và trung bình hàng năm có 4 cơn bão [9]. Những cơn bão này thường xuất phát từ biển Đông rồi 3- 4 ngày sau đổ bộ vào bờ gây ra những trận mưa lớn trong nhiều ngày liên tục. Ngoài ra, nạn phá rừng, việc khai thác cát sỏi và hệ thống đê đập còn chưa được kiên cố nên khi lũ lụt xảy ra trên khu vực đã uy hiếp nghiêm trọng khu vực đồng bằng dân cư sinh sống và làm ngập nhiều đoạn trên đường sắt Thống Nhất và Quốc lộ 1A. 2 2. Tính cấp thiết của đề tài Quốc lộ 1A từ Hữu Nghị Quan đến Năm Căn với chiều dài khoảng 2.300Km, là trục đường bộ huyết mạch của Việt Nam, tập trung khối lượng vận tải cao, Có thể nói rằng tuyến quốc lộ 1A là tuyến đường giao thông huyết mạch của cả nước, tuyến đường có ý nghĩa quan trọng về nhiều mặt như kinh tế, văn hóa, chính trị, xã hội... Những năm vừa qua, Quốc lộ 1A đã được nâng cấp cải tạo từng đoạn bằng nguồn vốn vay của ADB, WB, JBIC (OECF)… đạt tiêu chuẩn đường cấp III, 2 làn xe; một số đoạn đi qua các thành phố, thị xã, thị trấn và các đoạn gần đô thị lớn có quy mô 4 - 6 làn xe [2]. Tuy nhiên, một số đoạn tuyến ở khu vực miền Trung vẫn thường xuyên bị ngập, gây ách tắc giao thông và làm cho kết cấu mặt đường bị hư hỏng. Đặc biệt trên địa bàn tỉnh Quảng Ngãi, tuyến đường quốc lộ 1A đoạn qua đoạn qua thị trấn Châu Ổ, huyện Bình Sơn, thuộc lưu vực sông Trà Bồng thường xuyên xảy ra tình trạng ngập úng kéo dài khi có lũ lớn xảy ra. Theo tài liệu điều tra gần đây nhất (2011) vào các năm 2007, 2009 có tất cả 7 đoạn đường bị ảnh hưởng nghiêm trọng do ngập lụt, bắt đầu từ Km1029 đến Km1042, với tổng chiều dài ngập khoảng 3,2 km, nơi có độ sâu ngập lớn nhất trên 1,2 m. Ngập lụt đã gây ra ùn tắc giao thông trên địa bàn huyện trong một thời gian dài và phá huỷ nhiều tuyến đường quốc lộ. Vì vậy, việc nghiên cứu để cải thiện tình hình ngập lụt cho Quốc lộ 1A, giảm thời gian ách tắc giao thông, tăng cường khả năng thoát nước của các công trình trên tuyến, cải thiện tình trạng mặt đường, tăng cường an toàn giao thông và góp phần khắc phục hậu quả lũ lụt… là vấn đề cấp bách hiện nay cần phải được giải quyết. Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ, nhiều công cụ và phương pháp tính toán hiện đại ra đời cho các kết quả chính xác, đáng tin cậy và trực quan hơn các phương pháp truyền thống. Đặc biệt là trong lĩnh vực vực thủy văn, thủy lực với sự ra đời của các mô hình toán cho phép mô tả, tính toán các quy luật và hiện tượng tự nhiên một cách gần đúng hơn. Với ý nghĩa đó đề tài “Mô phỏng lũ trên lưu vực sông Trà Bồng - Quảng Ngãi và tính toán các giải pháp 3 chống ngập Quốc lộ 1 A” đã ứng dụng các mô hình toán đang được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới và cũng đã được kiểm nghiệm rất nhiều ở Việt Nam vào nghiên cứu và đề xuất các giải pháp giảm thiểu ngập lụt cho quốc lộ 1A đoạn qua lưu vực sông Trà Bồng. 3. Mục tiêu đề tài Nghiên cứu diễn biến ngập lụt trên tuyến quốc lộ 1A đoạn qua lưu vực sông Trà Bồng – Quảng Ngãi, từ đó đề xuất nghiên cứu các giải pháp công trình, nhằm hạn chế và giảm thiểu đến mức tối đa ngập lụt trên tuyến quốc lộ 1A đoạn qua lưu vực sông Trà Bồng – Quảng Ngãi. 4. Phạm vi nghiên cứu Lưu vực sông Trà Bồng bao gồm hầu hết huyện Trà Bồng và huyện Bình Sơn. Diện tích lưu vực khoảng 697 km2, chiều dài 56 km, chiều rộng 12,4 km. 5. Cấu trúc luận văn Luận văn sẽ bao gồm các phần sau đây: Mở đầu Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Tình hình số liệu và cơ sở lý thuyết của các mô hình ứng dụng. Chương 3 : Hiệu chỉnh và kiểm định các mô hình phục vụ tính toán ngập lụt khu vực nghiên cứu. Chương 4 : Phân tích, đề xuất và tính toán các phương án chống ngập Quốc lộ 1A Kết luận và kiến nghị 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu: 1.1.1 Trên thế giới Thế giới hiện nay đang ở trong thời kỳ biến đổi khí hậu, những trận lũ lớn xuất hiện ngày càng nhiều (Ấn Độ, Banlades, Trung Quốc, Philipin, Mianma, Mỹ,...) đã gây thiệt hại nghiêm trọng về người và của. Thiên tai lũ lụt đang có xu thế gia tăng cả về tần suất lẫn cường độ. Đối với các nước phát triển các nghiên cứu về lũ lụt thường gắn với quản lý tài nguyên, môi trường theo lưu vực sông. Đối với các nước đang phát triển việc dự báo, cảnh báo lũ lụt còn gặp nhiều khó khăn, các nghiên cứu chủ yếu phục vụ cho công tác phòng tránh, giảm nhẹ thiên tai. Nhiều nhà khoa học, nhiều tổ chức quốc tế đã tập trung nghiên cứu nhằm tìm ra các giải pháp phòng chống và phòng tránh hữu hiệu giảm thiệt hại do lũ lụt gây ra. Đơn cử một số nghiên cứu: - A simple raster-based model for flood inundation simulation, P.D Bates, A.P.J De Roo. Journal of Hydrology. Volume 236, Issues 1–2, 10 September 2000, Pages 54–77. Bài báo đã trình bày một mô hình mới cho việc mô phỏng ngập lụtMô hình raster cơ bản. Mô hình này được thiết kế để tính toán kết hợp với mô hình số độ cao có độ phân giải cao. Mô hình số độ cao được sử dụng rộng rãi trong việc mô phỏng các bãi ngập, bãi tràn và được sử dụng nhiều trong các mô hình 2 chiều. Mô hình được ứng dụng nghiên cứu cho đoạn sông Meuse ở Hà Lan, với chiều dài 35 Km, sử dụng các số liệu đo đạc trận lũ lớn đã xảy ra vào năm 1995 để tính toán. Mô hình đã xây dựng các độ phân giải 100, 50 và 25m và so sánh với hai kĩ thuật dự báo ngập lụt khác. Mô hình đã cho kết quả tính toán dự báo ngập lụt khá tốt đạt 81.9%. Cuối cùng, bài báo đã xem xét các sai sót về dữ liệu của các trạm đo đạc và dữ liệu mức độ ngập cho thấy mô hình raster là gần với giới hạn dự báo hiện tại. - Simulation of river stage using artificial neural network and MIKE 11 hydrodynamic model. Rabindra K. Panda, Niranjan Pramanik, Biplab Bala. Computers & Geosciences. Volume 36, Issue 6, June 2010, Pages 735–745. Tính toán mô phỏng mực nước trên các con sông thường sử dụng các mô hình diễn toán dòng chảy, và các mô hình này thường yêu càu rất nhiều loại dữ liệu như: số liệu 5 thuỷ văn, địa hình sông, các công trình điều khiển và hệ số nhám lòng dẫn. Thông thường ở những quốc gia đang phát triển như Ấn Độ thì rất khó có thể thu thập các loại số liệu và dữ liệu này. Mặt khác, mô hình Mạng trí tuệ nhân tạo (ANN) được sử dụng rất hiệu quả trong việc nghiên cứu các quá trình thuỷ văn. Bài báo này đã so sánh kết quả từ mô hình ANN và mô hình thuỷ động lực MIKE11. Mô hình MIKE 11 được hiệu chỉnh và kiểm định cho các năm 2006 và 2001. Kết quả dự báo giữa hai mô hình cho thấy, ANN cho kết quả tốt hơn MIKE 11HD. Hệ số NASH và sai số quân phương của mô hình ANN là 0.819 và 0.8939 với MIKE 11HD là 0.7836 và 1.00. Bên cạnh đó, bài báo cũng chỉ ra rằng kết quả sai số giữa giá trị thực đo và tính toán của mô hình ANN là thấp hơn so với mô hình MIKE11 HD. Evaluation of 1D and 2D numerical models for predicting river flood inundation M.S. Horritt, P.D. Bate. Journal of Hydrology. Volume 268, Issues 1–4, 1 November 2002, Pages 87–99. Mô hình thuỷ lực 1D và 2D (HEC-RAS, LISFLOOD-FP và TELEMAC-2D) được nghiên cứu ứng dụng trên 60 km chiều dài sông Severn, UK. Dữ liệu của trận lũ năm 1998 và 2000 từ vệ tinh được sử dụng để tính toán trong các mô hình. Các số liệu thực đo trong các trận lũ được dùng để hiệu chỉnh mô hình, các dữ liệu độc lập khác được sử dụng để kiểm định mô hình. Bài báo đã chỉ ra rằng khi sử dụng mô hình HEC-RAS và TELEMAC-2D cho kết quả khá tốt, trong khi đó mô hình LISFLOOD-FP cần có sự kiểm định lại để cho kết khả quan hơn. Sự khác nhau giữa các kết quả mô phỏng từ 3 mô hình nguyên nhân là do sự thay đổi thông số sức cản thuỷ lực trong các mô hình. 1.1.2 Trong nước Nước ta là một trong những nước trên thế giới chịu tác động nhiều nhất của sự biến đổi khí hậu toàn cầu. Những năm gần đây do ảnh hưởng của sự biến đổi khí hậu, hiện tượng lũ lớn, lũ quét đã xảy ra với tần suất, qui mô và cường độ ngày càng gia tăng, đặc biệt là ở các lưu vực sông miền Trung. Theo một số tài liệu điều tra gần đây; mưa lũ năm 1996 gây thiệt hại rất lớn. Số người chết và mất tích lên tới 605 người và tổng thiệt hại ước tính lên tới 2.142,117 tỷ đồng. Năm 1999, lũ lịch sử ở miền Trung, chỉ trong vòng hơn 1 tháng (từ 1/XI đến 6/XII), đã có 2 đợt lũ, diện rộng hiếm thấy trong lịch sử, làm ngập lụt nghiêm trọng, dài ngày, thiệt hại lớn cho kinh tế, dân sinh, môi trường: hơn 700 người chết, gần 500 người bị thương, hàng 6 vạn hộ gia đình bị mất nhà cửa, tài sản, thiệt hại ước tính lên tới gần 5.000 tỷ đồng. Hiện tượng lũ quét, xói lở, sạt trượt các sườn núi, bờ sông... xảy ra rộng khắp ở các huyện miền núi, đồng bằng ven biển của Quảng Ngãi. Lũ lụt miền Trung nói chung và tỉnh Quảng Ngãi nói riêng đã trở thành một tai hoạ tự nhiên thường xuyên đe doạ cuộc sống của người dân trong vùng. Nhận thức được vấn đề nghiêm trọng của lũ, lụt các Bộ, ngành và các địa phương đã triển khai một loạt các chương trình, đề tài, đề án điều tra, nghiên cứu về lũ lụt nhằm đưa ra các giải pháp giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt gây ra. Có thể nêu một số công trình nghiên cứu tiêu biểu: - KS. Hoàng Tấn Liên, 2001. Xây dựng Bản đồ ngập lụt và dự báo nguy cơ ngập lụt hạ lưu sông Trà Bồng, sông Trà Khúc, sông Vệ. Đài KTTV khu vực Trung Trung bộ. - GS. VS. Nguyễn Trọng Yêm, 2000. Điều tra, đánh giá hiện tượng sạt lở dọc hệ thống sông Trà Khúc tỉnh Quảng Ngãi. Đề xuất các biện pháp phòng tránh giảm thiểu thiệt hại. Viện Địa chất - Trung tâm KHTN & CNQG. - PGS. TSKH. Nguyễn Văn Cư - Nghiên cứu luận cứ khoa học cho các giải pháp phòng tránh, hạn chế hậu quả lũ lụt sông Ba (đề tài KHCN trọng điểm cấp Nhà nước KC-08-25) năm 2001 - 2003. Đề tài đã cung cấp luận cứ khoa học về lũ lụt và diễn biến lũ lụt, đề xuất các giải pháp khoa học công nghệ phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai lũ lụt phục vụ qui hoạch tổng thể phát triển KT - XH, phòng tránh giảm nhẹ thiên tai lũ lụt lưu vực sông Ba. - TS. Nguyễn Lập Dân - Nghiên cứu cơ sở khoa học cho các giải pháp tổng thể phòng tránh lũ lụt ở miền Trung (đề tài KHCN cấp Nhà nước KC-08-12) năm 2001 - 2004. Đề tài đã đưa ra các giải pháp tổng thể phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai lũ lụt ở miền Trung trong đó có các giải pháp trước mắt và lâu dài, các biện pháp công trình và phi công trình; xây dựng được chương trình dự báo lũ trên lưu vực sông Hương và sông Thu Bồn. 1.2 Điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội lưu vực sông Trà Bồng 1.2.1 Vị trí địa lý 7 Bình Sơn là huyện thuộc vùng đồng bằng ven biển, nằm ở phía Bắc tỉnh Quảng Ngãi, có tọa độ địa lý từ 15011 đến 15025 vĩ độ Bắc và từ 108034 đến 108056 kinh độ Đông. Phía Bắc: giáp tỉnh Quảng Nam, nằm kề với Khu kinh tế mở Chu Lai, là cơ hội để mở rộng hợp tác cùng phát triển trên nhiều lĩnh vực. Hình 1.1: Bản đồ hành chính huyện Bình Sơn Phía Nam: giáp huyện Sơn Tịnh với khu công nghiệp Tịnh Phong, đây là cơ hội lớn để trao đổi nguồn lao động, vừa góp phần giải quyết việc làm cho người dân ở các xã lân cận như Bình Hiệp, Bình Long,… Phía Tây: giáp huyện Trà Bồng, với mũi nhọn phát triển lâm nghiệp, chế biến lâm sản,… Phía Đông: giáp biển Đông với 54 km đường bờ biển, mở ra triển vọng khai thác, nuôi trồng thủy hải sản, lao động ngư nghiệp mang lại một giá trị sản lượng trong cơ cấu kinh tế của huyện. Sông Trà Bồng: phát nguyên từ vùng núi Trà Bồng với những núi cao trung bình từ 1300-1500m, sông chảy theo hướng Tây Đông rồi đổ ra biển tại cửa Dung Quất. Sông có chiều dài 59km với diện tích 697 km2, mật độ lưới sông 0,43km/km2, độ cao bình quân lưu vực 196m, độ dốc bình quân lưu vực 10,5% [9]. 1.2.2 Đặc điểm địa hình Nhìn chung địa hình của lưu vực có dạng thấp dần từ Tây sang Đông và khá phức tạp núi và đồng bằng xen kẽ nhau, chia cắt đất đai thành những cánh đồng nhỏ nằm dọc theo các thung lũng, từ vùng núi xuống đồng bằng địa hình đột nhiên hạ thấp đáng kể, đã hình thành hai bậc địa hình cao thấp nằm kế tiếp nhau, không có khu đệm chuyển tiếp. Vùng phía Tây là những dãy núi cao có cao độ từ 500 – 1000 m, đồng bằng có cao độ từ 5 - 20 m [9]. Từ đặc điểm địa hình này đã tạo dòng chảy của lưu vực khá bất lợi, về mùa mưa thường gây lũ lụt, còn mùa khô dòng chảy cạn kiệt gây hạn hán. Có thể chia địa hình ra làm 4 vùng: 8 - Vùng núi: Nằm phía Tây của tỉnh, chiếm một phần lớn diện tích chạy dọc ranh giới tỉnh Kon Tum và tỉnh Quảng Ngãi. Đó chính là sườn núi phía Đông hoặc nhánh núi kéo dài của dãy Trường Sơn gồm những đỉnh núi có cao độ trung bình 500-700 m, thỉnh thoảng có đỉnh núi cao trên 1000 m mà đỉnh cao nhất là Hòn Bà nằm phía Tây Vân Canh 1146 m. Vùng núi phía Bắc có nhiều đỉnh núi cao, nhất là vùng núi Trà Bồng, Sơn Hà có những đỉnh núi cao từ 1400 – 1600 m. Địa hình phân cách mạnh, sông suối trong khu vực có độ dốc lớn, lớp phủ thực vật khá dày. - Vùng địa hình đồi gò: Đây là địa hình trung gian giữa núi và đồng bằng, độ cao hạ thấp đột ngột gồm nhiều đồi gò nhấp nhô xen kẽ có những đồng bằng khá rộng. Độ cao nói chung dưới 200 m, vùng bằng thường có độ cao 30-40 m. Độ dốc còn tương đối lớn, cây rừng bị tàn phá nhiều. - Vùng đồng bằng: Trải dài ven biển và tiếp giáp với vùng đồi gò, có độ dốc từ Tây sang Đông. - Vùng cát ven biển: Cồn cát, đụn cát phân bố thành một dải hẹp ven biển. Dạng địa hình này được hình thành do sông ngòi mang vật liệu từ núi xuống bồi lắng ven biển, sóng đẩy dạt vào bờ và gió thổi vun cao thành cồn, đụn. 1.2.3 Đặc điểm địa chất và thổ nhưỡng a) Đặc điểm địa chất: Theo tài liệu nghiên cứu thì lãnh thổ Quảng Ngãi nằm trên đới cấu tạo Kon Tum, gồm hai loại chính: - Khối mac ma axit, điển hình là đá granit, thành phần chủ yếu là thạch anh, ngoài ra có mica. Đất hình thành trên đá granit thường có thành phần cơ giới nhẹ. - Đá trầm tích thuộc dạng sa thạch, phiến thạch và phiến sa. Đất hình thành trên sa thạch, kết cấu thường rời rạc, giữ nước kém. b) Đặc điểm thổ nhưỡng: Lưu vực nghiên cứu có nhiều loại đất khác nhau, thích hợp cho nhiều loại cây trồng phát triển và sinh trưởng. Đất vùng núi nói chung rất dốc, những vùng còn cây cối có lớp màu khá dày do tích tụ lá cây qua nhiều năm. Đất vùng thung lũng hình thành trong quá trình bào mòn từ núi xuống, những chỗ có nước đất thường bị lầy và chua. 9 Đất vùng đồi gò bị bào mòn, bạc màu, tầng đất canh tác mỏng chủ yếu tập trung trong các huyện: Sơn Hà, Sơn Tây, Nghĩa hành và Minh Long. Vùng đồng bằng chủ yếu là đất phù sa, hàm lượng NPK khá, đây là nhóm đất màu mỡ được hình thành do tích tụ phù sa của các sông rất thích hợp với các loại cây lương thực và hoa màu. Loại đất này được phân bố rộng rãi ở hạ lưu sông Trà Bồng, Trà Khúc và Sông Vệ trong phạm vi các huyện: Bình Sơn, Sơn Tịnh, Tư Nghĩa, Nghĩa Hành, Mộ Đức, Đức Phổ và thị xã Quảng Ngãi. Đất cát ven biển phần lớn là đất cát rời rạc, dinh dưỡng kém. 1.2.4 Đặc điểm thảm phủ thực vật Thảm phủ thực vật có tác dụng quan trọng trong việc điều hòa khí hậu và điều tiết dòng chảy. Đặc biệt rừng có tác dụng làm giảm dòng chảy lũ và tăng lượng dòng chảy mùa kiệt. Rừng ở Quảng Ngãi tuy ít so với cả nước, chủ yếu là rừng nghèo và rừng trung bình nhưng trữ lượng rừng rất phong phú và có nhiều loại gỗ quý như gõ, sơn, dổi, và có nhiều quế… như ở Minh Long, Ba Tơ, Sơn Tây, Sơn Hà [9]. Rừng trong lưu vực chủ yếu tập trung ở vùng thượng nguồn trên các vùng núi cao, độ dốc lớn (50 - 300) [9]. Việc trồng cây gây rừng vẫn chưa hàn gắn được những tổn thất về rừng trong thời kỳ chiến tranh và hậu quả của việc khai thác bừa bãi, chưa hợp lý và tệ chặt phá rừng lấy gỗ và làm nương rẫy. Hiện nay có xu thế giảm rừng giàu và trung bình, tăng diện tích rừng nghèo. Độ che phủ của rừng thấp làm cho xói mòn đất, suy thoái nguồn nước làm cho tình hình lũ lụt hạn hán ngày càng gia tăng. 1.2.5 Đặc điểm mạng lưới sông ngòi. Mạng lưới sông ngòi trong và lân cận vùng nghiên cứu phân bố tương đối đều và có một số đặc điểm : - Các sông đều bắt nguồn từ sườn Đông của dãy Trường Sơn và đổ ra biển, các sông có dạng hình cành cây và đều ngắn, có độ dốc tương đối lớn. Phần hạ du các sông đều chịu ảnh hưởng của thuỷ triều và bị mặn xâm nhập. - Các sông chảy trên 2 dạng địa hình, chủ yếu là đồi núi phức tạp và đồng bằng dọc theo bờ biển. - Hiện tượng bồi lắng, xói lở cửa sông và phân dòng khá mạnh ở hạ lưu các sông. Các đặc trưng hình thái sông suối trong và lân cận lưu vực sông Trà Bồng được trình bày như bảng dưới đây: 10 Bảng 1.1 : Đặc trưng hình thái của các sông suối chính trong và lân cận vùng nghiên cứu Tên sông Sông Trà Khúc - Dac lang - Nước Lác - Dak Se Lo - Tam Dinh - Xã Điệu - Tam Rao - Sông Giang - Sông Phước - Phụ lưu số 9 S. Trà Bồng -Sa Thin -Trà Bốt -Sông Sau -Bản Điền -Phụ lưu S. Vệ -Sông Trà Nô -Sông Nễ -Sông Phước Giang (Sông La Châu) S. Trà Câu -Ba Khan -Sông Cau -Sông Lò Bó Chiều dài sông (km) Diện tích lưu vực (km2) Độ cao bình quân lưu vực (m) Độ dốc bình quân lưu vực (%) Chiều rộng bình quân lưu vực (km) Hệ số uốn khúc Mật độ lưới sông (km/km2) 135 19 16 63 18 13 20 16 20 10 3240 96 93 1760 67 63 64 100 45 40 558 18.5 19.6 301 16.3 1.69 1.73 1.51 1.47 1.64 1.30 1.43 1.26 1.67 1.18 0.39 751 26.3 6.0 5.5 25.2 4.5 3.7 3.8 5.6 2.6 4.0 12 13 19 14 27 50 38 100 71 112 170 12.6 0 1.41 1.37 1.59 1.27 1.11 0.90 24 6.2 2.9 8.3 5.5 8.6 91 17 17 47 1260 147 104 288 170 362 332 192 19.9 23.3 33.1 20.0 18.0 7.4 3.3 6.8 1.30 1.20 1.55 1.43 0.79 0.59 0.93 1.27 32.0 15.0 19.0 20.0 442 46.8 99.5 158 113 13.7 9.2 1.61 1.27 1.45 1.32 0.67 100 16.4 3.3 5.5 8.78 0.32 0.86 0.26 0.66 (Nguồn: Báo cáo tình hình khí tượng thủy văn tỉnh Quảng Ngãi, 2009) 11 1.2.6 Đặc điểm khí hậu Vùng nghiên cứu có chế độ khí hậu nhiệt đới gió mùa nội chí tuyến, chịu ảnh hưởng sâu sắc của địa hình dãy Trường sơn và các nhiễu động thời tiết ngoài biển Đông. Trong vùng nghiên cứu có hai mùa khí hậu khác nhau: - Khí hậu mùa Đông : từ tháng XI đến tháng IV là thời kỳ hoạt động của gió mùa Đông Bắc và tín phong Đông Bắc : + Gió mùa Đông Bắc mang không khí lạnh (tuy đã biến tính trong quá trình di chuyển qua các dãy núi Bạch Mã, Hải Vân) làm cho nhiệt độ của vùng nghiên cứu thời kỳ này tương đối lạnh. Nhiệt độ thấp nhất tại một số trạm xuống đến 10 – 130C. Vào đầu mùa Đông gió mùa Đông Bắc qua biển mang theo hơi ẩm và kết hợp với hoạt động của các nhiễu động thời tiết trên biển Đông như bão, ATNĐ, khi vào đến đất liền gặp dãy Trường sơn đã gây mưa vừa đến mưa to [9]. Giữa và cuối mùa Đông cường độ hoạt động của các nhiễu động thời tiết này đã lùi sâu hơn vào phía Nam nên sự hội tụ giữa gió mùa Đông Bắc với hướng gió Đông, Đông Nam đã yếu đi hoặc không tồn tại do đó trong thời kỳ này trong vùng chỉ có mưa nhỏ hoặc mưa rào nhẹ. + Tín phong Đông Bắc mà nguồn gốc là không khí lạnh cực đới đã nhiệt đới hoá (ấm và ẩm hơn nhiều so với ban đầu) luân phiên với gió mùa Đông Bắc chi phối thời tiết trong suốt mùa đông. - Khí hậu mùa hạ : Từ tháng V đến tháng X là các hoạt động của gió mùa Tây Nam và Đông Nam. + Gió mùa hướng Tây Nam có nguồn gốc từ Vịnh Thái Lan mang theo hơi ẩm, khi qua sườn phía Tây của dải Trường Sơn đã để lại lượng mưa đáng kể và tạo thành hiện tượng “phơn” làm cho không khí sườn phía Đông Trường sơn khô và nóng. + Gió hướng Đông Nam có nguồn gốc từ Đông châu úc hoặc xích đạo gây nên các nhiễu động biển Đông, mang theo hơi ẩm vào các tỉnh Nam Trung bộ vào các tháng V, VI hàng năm cung cấp lượng mưa vừa làm dịu mát và làm bớt đi sự khô hạn trong vùng. Từ tháng VII đến tháng IX toàn vùng có lượng mưa không đáng kể nên lại là thời kỳ khô hạn trong vùng. 12 Tóm lại với chế độ gió mùa, điều kiện bức xạ và vị trí địa lý, đặc điểm địa hình đã tạo cho khí hậu Quảng Ngãi những đặc điểm chủ yếu sau: - Chế dộ gió mùa cùng với dải Trường Sơn đã tạo ra sự tương phản sâu sắc giữa mùa khô và mùa mưa trên toàn vùng nghiên cứu. - Hoạt động của gió mùa, tín phong Đông Bắc và các nhiễu động thời tiết ở biển Đông cùng với địa hình dãy Trường Sơn đã tạo ra mùa mưa phong phú trong các tháng từ tháng IX đến tháng XII. - Do sự xâm nhập sâu về phía Nam của gió mùa Đông Bắc nên Quảng Ngãi tương đối lạnh trong tháng XII, I. - Do hiệu ứng “phơn” của dãy Trường Sơn đối với gió mùa Tây Nam nên ở vùng nghiên cứu xuất hiện một thời kỳ nắng nóng và khô hạn trong suốt các tháng mùa hạ. a) Nhiệt độ : Do được thừa hưởng chế độ bức xạ mặt trời nhiệt đới đã dẫn đến một nền nhiệt độ cao trong toàn vùng. Nhiệt độ có xu hướng tăng dần từ Bắc vào Nam và từ miền núi xuống đồng bằng. Nhiệt độ bình quân hàng năm vùng núi : 25.30C, vùng đồng bằng ven biển: 25.70C, nhiệt độ bình quân nhiều năm tại Đà Nẵng : 25.60C, Quảng Ngãi 25.70C, Hoài Nhơn 260C , Quy Nhơn : 26,8oC. Tháng có nhiệt độ bình quân cao nhất là tháng VI, VII có thể đạt tới 28oC 29oC, tháng có nhiệt độ bình quân nhỏ nhất là tháng I đạt 220C – 230C. Chênh lệch nhiệt độ giữa tháng nóng nhất và tháng lạnh nhất từ 6 – 70C. Trong ngày biên độ nhiệt thường đạt từ 6 – 110C. Đối với vùng núi (Ba Tơ), biên độ nhiệt trong ngày cao nhất đạt 11.40C xảy ra vào tháng IV, thấp nhất đạt 6.1 oC vào tháng I. Đối với vùng đồng bằng (Quảng Ngãi) biên độ nhiệt trong ngày cao nhất đạt 90C xảy ra vào tháng IV, biên độ nhiệt trong ngày thấp nhất đạt từ 6.40C vào tháng I. Bảng 1.2 : Nhiệt độ bình quân tháng, năm tại các trạm trong vùng nghiên cứu Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Năm Ba Tơ 21.4 22.7 24.6 26.8 27.7 28.1 28.0 27.8 26.5 25.1 23.5 21.6 25.3 Quảng Ngãi 21.7 22.5 24.4 26.7 28.3 28.8 28.7 28.6 27.1 25.8 24.1 22.0 25.7