DÂY LƯNG & VÍ DA CHẤT LƯỢNG CAO THƯƠNG HIỆU H2


Ứng dụng mô hình thủy lực và mô hình độ cao số tính toán ngập lụt thành phố Hồ Chí Minh

Tóm Tắt
Nghiên cứu này ứng dụng mô hình thủy lực để tính toán mực nước và lưu lượng trên các nhánh sông chính thành phố, kết quả mô phỏng thủy lực kết hợp với mô hình độ cao số của thành phố Hồ Chí Minh để mô phỏng bản đồ các khu vực ngập lụt hiện trạng và theo kịch bản mực nước biển dâng năm 2020 của thành phố.
Abstract
This study applied the hydraulic model to calculate water levels and flow on the main branch of the Ho Chi Minh city, hydraulic simulation results combined with digital elevation model of city to simulate the current flood map areas and the sea level rise scenario of the city in 2020.
Từ khóa:  mô hình, thủy lực, DEM, ngập lụt, nước biển dâng
1. GIỚI THIỆU
Thành phố Hồ Chí Minh có vị trí gần các cửa con sông thuộc một lưu vực sông lớn thứ 3 của Việt Nam, đó là hệ thống sông Sài Gòn – Đồng Nai – Vàm Cỏ, lưu vực sông này có một mạng lưới sông dày đặc và phía cuối của hệ thống sông này là rừng ngập mặn Cần Giờ. Ngoài hệ thống sông tự nhiên dày đặc, thành phố còn có một hệ thống kênh rạch nhân tạo. Vì là một thành phố ven biển nên Tp. HCM chịu ảnh hưởng của chế độ thủy triều biển Đông.
Trong những năm gần đây thành phố phát triển và mở rộng, diện tích sông rạch dần dần bị thu hẹp, diện tích xây dựng tăng cao, bề mặt đất thành phố bị bê tông hóa, khi mưa hoặc triều cường làm nước sông dâng cao tràn bờ, nước không có nơi thấm giữ nên tiếp tục tràn và gây ra tình trạng ngập lụt cục bộ đô thị. Điều này trong những năm gần đây xảy ra thường xuyên hơn, khác với trước đây khi bề mặt đất thành phố còn có khả năng thấm và giữ nước đến khi bề mặt đất bão hòa nước thì mới gây ra tình trạng ngập lụt.
Hơn nữa, hệ thống cống thoát nước trong nhiều năm chưa được quan tâm bão dưỡng nên ngày càng xuống cấp, không thể xứng tầm với đời sống của hơn 7 triệu dân cư đô thị mà trước đây hệ thống cống này chỉ thiết kế cho một thành phố với mức dân khoảng 2 triệu.
Tháng 1/1998, Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản đã đến Việt Nam đã nghiên cứu lập dự án lập quy hoạch tổng thể đến năm 2020 cho thành phố, trong đó có một mục tiêu là cải thiện hệ thống thoát nước đô thị và nước thải đô thị. Ngoài ra, dự án quy hoạch thủy lợi chống ngập úng khu vực thành phố Hồ Chí Minh đã hoàn thành giai đoạn thiết kế quy hoạch. Mặc dù vậy, ngoài vấn đề về tình trạng quá tải giao thông, ô nhiễm môi trường, thì vấn đề ngập lụt của thành phố vẫn còn đang tồn tại và ngày càng nghiêm trọng hơn.
Vấn đề ngập lụt của thành phố có thể tạm xác định là do 3 nguyên nhân sau:
-      Lượng nước từ thượng nguồn của hệ thống sông Sài Gòn – Đồng Nai – Vàm Cỏ trong mùa mưa lũ, nơi mà diện tích rừng ngày càng bị thu hẹp.
-      Lượng mưa rơi trực tiếp trên bề mặt vùng đô thị vốn ngày càng bị bê tông hóa không còn khả năng thấm giữ nước, cộng với hệ thống tiêu thoát nước đã xuống cấp và một hệ thống đê bao chưa hợp lý làm nước mưa không thể thoát ra ngoài đê khi mưa cường độ cao.
-      Triều cường cũng gây ra ngập lụt khi mà diện tích sông hồ kênh rạch ngày càng bị thu hẹp để dành đất cho phát triển khu dân cư, khu công nghiệp và sản xuất nông nghiệp.
Vì vậy, việc tính toán bài toán ngập lũ để phục vụ việc quản lý và quy hoạch là rất cần thiết cho thành phố trong giai đoạn hiện nay.
2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
2.1. Mục tiêu và phạm vi
Sử dụng dữ liệu bản đồ, dữ liệu vệ tinh và kỹ thuật GIS để mô phỏng địa hình dưới dạng số (Digital Elevation Model – DEM).
Áp dụng mô hình thủy lực để tính toán mực nước trên hệ thống sông Sài Gòn – Đồng Nai – Vàm Cỏ.
Sử dụng kỹ thuật GIS kết hợp 2 mô hình để tạo lập bản đồ ngập của thành phố cả về diện tích và độ sâu ngập do triều.
Phạm vi tính toán ngập lụt nằm trong ranh giới hành chính thành phố Hồ Chí Minh.
2.2. Sơ lược các mô hình

2.2.1. Mô hình độ cao số

SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) là một dự án kết hợp giữa NASA và NGA (Cơ quan phòng vệ mặt đất, Mỹ) để vẽ bề mặt địa hình của Trái đất 3 chiều tại một mức độ chi tiết chưa từng có trước đây cho một vùng rộng lớn. Chuyến bay của Tàu vũ trụ Con thoi Endeavour của NASA từ ngày 11 đến ngày 22 tháng 2 năm 2000, đã hoàn thành việc thu thập dữ liệu hơn 80% diện tích bề mặt Trái Đất nằm chủ yếu từ 60o vĩ độ Bắc đến 56o vĩ độ Nam.

Thiết bị sử dụng trong nhiệm vụ này gồm 2 radar: Spaceborne Imaging Radar-C (SIR-C) và X-band Synthetic Aperture Radar (X-SAR), hệ thống radar này đã bay vào không gian 2 lần trước đây, trong một nhiệm vụ khác.

Dữ liệu SRTM được thu thập một cách cụ thể với các phương pháp kỹ thuật giao thoa mà nó cho phép dữ liệu hình ảnh từ anten kép của radar được xử lý tách ra độ cao của mặt đất.
Phòng thí nghiệm phản lực của NASA (NASA’s Jet Propulsion Laboratory – JPL) tại Pasadena, California đã xử lý hơn 12 terabyte dữ liệu SRTM ban đầu, và nghiên cứu chất lượng địa hình theo từng lục địa cơ bản.
Ngoài dữ liệu SRTM, dữ liệu GDEM (Global Digital Elevation Model) đuợc NASA và Nhật Bản công bố và phát hành tháng 6 năm 2009. Các dữ liệu trên được Bộ Kinh tế, Công nghiệp và Thương mại Nhật Bản (METI) thu nhập trong hơn 9 năm qua từ máy cảm biến lắp trên một vệ tinh của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA), trong đó có thông tin chi tiết về độ cao trung bình so với mặt nước biển ở từng khu vực, dữ liệu có độ phân giải 30m x 30m. Các dữ liệu này có thể được sử dụng để vẽ bản đồ ba chiều và bản đồ dự báo thiệt hại do thiên tai như cháy rừng và lũ lụt…
Tuy nhiên, loại dữ liệu này theo 2 cơ quan công bố, là NASA và METI, dữ liệu phát hành chưa thực sự hoàn thiện, với phiên bản đầu tiên chỉ dùng để tham khảo.
Dữ liệu địa hình do Sở Khoa học và Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh cung cấp có nguồn do Bộ Tài nguyên và Môi Trưòng phát hành, bao gồm các điểm đo đạc trực tiếp ngoài hiện trường được thể hiện thành bản đồ với tỷ lệ 1:2000 và 1:5000.
Bản đồ địa hình bao gồm các điểm và các đường bình độ được số hóa thành lớp bản đồ dạng điểm có kinh độ và vĩ độ, độ cao của mỗi điểm có giá trị Z, giá trị này đặc trưng cho độ cao tại điểm đó.
Các điểm độ cao với mức độ chi tiết ở tỷ lệ 1:2000 và 1:5000 được nội suy không gian theo một trong các phương pháp Spline hay IDW.
Dữ liệu đo đạc thực địa được số hóa từ bản đồ tỷ lệ 1:2000 và 1:5000 sau khi thử lựa chọn được nội suy theo phương pháp Spline với kích thước của ô phân giải là 10m x 10m. Các phần khiếm khuyết từ dữ liệu đo đạc thực tế được bổ sung từ dữ liệu SRTM.
2.2.2. Mô hình thủy lực
Mô hình MIKE 11 [2] là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây, được ứng dụng để mô phỏng chế độ thủy lực, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông, trong sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác. MIKE 11 bao gồm nhiều modul có các khả năng và nhiệm vụ khác nhau như: modul mưa dòng chảy (RR), modul thủy động lực (HD), modul tải – khuếch tán (AD), modul sinh thái (Ecolab) và một số modul khác…
Trong đó, modul thủy động lực (HD) được coi là phần trung tâm của mô hình, là hình thức cơ bản cho hầu hết các mô đun khác bao gồm dự báo lũ (Flood Forcasting), truyền tải – khuyếch tán (Advection – Dispersion), chất lượng nước (Water Quality) vận chuyển bùn cát dính và không dính…Modul thủy lực của  MIKE 11 giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và động lượng, như phương trình Saint Venant.
Mô đun thủy lực của MIKE 11 giải các phương trình liên tục và bảo toàn động lượng, ví dụ như các phương trình Saint Venant. Đặc trưng cơ bản của hệ thống lập mô hình MIKE 11 là cấu trúc modul tổng hợp với nhiều loại modul được thêm vào mỗi mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sông. Ngoài các modul HD đã mô tả ở trên, MIKE bao gồm các modul bổ sung đối với: thủy văn, tải – khuyếch tán, các mô hình cho nhiều vấn đề về chất lượng nước, vận chuyển bùn cát có cố kết (có tính dính), vận chuyển bùn cát không có cố kết (không có tính dính)
Mục tiêu tính toán thủy lực là mực nước, lưu lượng.Các số liệu khí tượng thủy văn, thủy lực đuợc sử dụng làm dữ liệu đầu vào.
Hệ thống mạng lưới và các mặt cắt ở hệ tọa độ UTM (Zone 48) bao gồm:
-         70 nhánh sông
-         1207 mặt cắt
-         Biên trên bao gồm các dữ liệu trạm đo: Trị An, Dầu Tiếng và sông Bé (với dữ liệu là lưu lượng theo giờ), Gò Dầu Hạ và Tân An (với số liệu là mực nước theo giờ)
-         Biên dưới là số liệu mực nước lấy theo giờ của trạm Vũng Tàu.
-         Các biên còn lại tại các kênh còn lại đều chọn lưu lượng là hằng số.
3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
3.1. Kiểm định mô hình thủy lực
-               Với các thông số mô hình đã chọn như trên thì số liệu tính toán mực nước và lưu lượng có độ chính xác khá cao (theo kết quả so sánh từ ngày 18/4/03 đến ngày 20/4/03.
-               Kết quả khá tốt trong quá trình mực nước từ thấp lên cao và xuống, tuy nhiên ở các đỉnh và chân thì độ chính xác thấp hơn.
-               Sai số giữa mực nước tính toán và thực như sau: sai số trung bình: 40 cm; sai số lớn nhất là 16cm. Hệ số xác định: R2= 0.9703.
-               Sai số giữa lưu lượng tính toán và thực đo như sau: sai số trung bình: 400 m3/s; sai số lớn nhất: 1400 m3/s. Hệ số xác định: R2 = 0.8985. Trong nghiên cứu này, số liệu lưu lượng thực đo chỉ đại diện cho 1 điểm gần bờ và được tính toán từ số liệu vận tốc đo bằng cốc quay, nên việc so sánh số liệu khó đạt độ chính xác cao.
-               Trong tính toán trên, với hệ số Maning được chọn là M = 36, thì mực nước và lưu lượng tính toán có pha biến đổi gần với thực tế, nhưng sai số về biên độ còn khá lớn. Với hệ số Maning được chọn là M =50, thì mực nước tính toán (hình 7) có độ chính xác cao hơn (sai số Max = 24cm). Số liệu tính toán lưu lượng có sai số lớn hơn, nhất là đối với các đỉnh.
-               Kết quả nghiên cứu cho thấy cần chọn một hệ số Maning khoảng 44 chung cho cả mực nước và lưu lượng thì đạt kết quả đáng tin cậy và có thể tính toán cho bất kỳ năm nào cho hệ thống.
3.2. Bản đồ ngập lụt
3.2.1. Mô phỏng hiện trạng
Kết quả từ mô phỏng thủy lực bao gồm mực nước và lưu lượng được truy nhập vào GIS [3] theo các điểm trên các nhánh sông với khoảng cách 1000 mét theo không gian. Theo thời gian, cách 1 giờ là số liệu ở các điểm này lại thay đổi. Các điểm mô phỏng mực nước và lưu lượng để thể hiện trên hình 9
Kết quả nội ngoại suy khu vực ngập lụt là các lớp bản đồ ngập dạng raster, mỗi ô phân giải có giá trị là giá trị độ sâu mực nước tại 1 thời điểm.
Thời gian chọn để mô phỏng là tháng 11 là tháng điển hình trong mùa mưa và có mực nước tại các trạm thủy văn cao nhất trong năm.
Quá trình mô phỏng đã mô phòng theo không gian là khu vực nằm trong phạm vi ranh giới hành chính thành phố Hồ Chí Minh, theo thời gian là từ 1/11/2008 đến 30/11/2008, mỗi một giờ có 1 lớp độ sâu mực nước.
Kết quả mô phỏng bao gồm 697 lớp bản đồ theo chuỗi thời gian như hình 11.
Các khu vực bị ngập bao gồm các khu vực huyện Nhà Bè, phía Nam huyện Bình Chánh, Quận 2, Quận 7 và Quận 9, khu vực giáp ránh huyện Củ Chi và Hóc Môn.
3.2.2. Mô phỏng ngập lụt năm 2020
Tương tự như mô phỏng cho năm 2008, kết quả mô phỏng mực nước và lưu lượng năm 2020 đã có tính đến các yếu tố về xả lũ thượng nguồn ở biên trên và mực nước biển biên dưới cao thêm 12 cm, đuợc đưa vào GIS theo từng điểm.
Đồng thời, hệ thống đê quy hoạch chống ngập thành phố [1] cũng được đưa vào như là một điều kiện đầu vào để tính toán ngập lụt vào năm 2020.
Kết quả mô phỏng kịch bản ngập lụt năm 2020 minh họa trên hình 12.
4. KẾT LUẬN
Ở thành phố Hồ Chí Minh qua tính toán ngập cho thấy huyện Bình Chánh là huyện có diện tích ngập cao nhất, độ sâu ngập ở các khu vực hầu hết nằm trong khoảng 0 – 20 cm. Ở cả 2 kịch bản mô phỏng hiện trạng và năm 2020 thời gian ngập của các khu vực 1 – 2 giờ, điều này do quá trình mô phỏng thủy lực tính toán theo bước theo gian là 1 giờ. Các vùng ngập có thời điểm ngập khác nhau, không ngập cùng lúc do quá trình truyền triều vào sâu trong nội địa có độ trễ nhất định.
Đối với kịch bản mô phỏng ngập lụt vào năm 2020 có tính đến các yếu tố về xả lũ thượng nguồn ở biên trên, mực nước biển biên dưới cao thêm 12 cm và hệ thống đê quy hoạch chống ngập úng thành phố thì diện tích ngập có tăng lên đồng thời độ sâu ngập của các địa điểm cũng tăng nằm trong khoảng 0 – 40 cm.
Đối với kịch bản mô phỏng ngập lụt vào năm 2020 có tính đến các yếu tố về xả lũ thượng nguồn ở biên trên, mực nước biển biên dưới cao thêm 12 cm và hệ thống đê quy hoạch chống ngập úng thành phố thì diện tích ngập có tăng lên đồng thời độ sâu ngập của các địa điểm cũng tăng nằm trong khoảng 0 – 40 cm.
Qua kết quả mô phỏng ngập lụt năm 2020 cho thấy hiệu quả của hệ thống đê chưa được cao, do hệ thống đê và cống chỉ dừng ở mức độ quy hoạch, các thông số vận hành của các cửa cống chưa có chế độ vận hành cụ thể, nên trong mô phỏng chế độ vận hành nước ra vào ở các cửa cống, là điểm giao nhau của hệ thống đê – hệ thống sông rạch, vẫn là chế độ thủy văn tự nhiên, nghĩa là nước ra và vào không có sự can thiệp của các yếu tố công trình.
Để thấy rõ hiệu quả hệ thống công trình thủy lợi được quy hoạch để chống ngập úng thành phố vào năm 2020, cần có các thông số, chế độ vận hành cụ thể của các công trình.
Tài liệu tham khảo
[1] Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam, Dự án “Quy hoạch thủy lợi chống ngập ứng khu vực thành phố Hồ Chí Minh” – Giai đoạn thiết kế quy hoạch, Tp. HCM, tháng 5/2008
[2] DHI Software, A Modelling System for River and Channels, Reference Manual, 2007.
[3] DHI Software, MIKE 11 GIS – Floodplain mapping and analysis, User Guide, 2001.
Nguồn: vietan-enviro.com

Bản quyền © Climate GIS, Chịu trách nhiệm xuất bản: Trần Văn Toàn, Mail: climategis@gmail.com, Hotline: +84 979 91 6482