XÂY DỰNG VÀ ÁP DỤNG CÁC PHẦN MỀM THỦY VĂN, THỦY LỰCPHỤC VỤ KIỂM SOÁT LŨ LỤT Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG

Hoàng Văn Lai, Nguyễn Tuấn Anh, Nguyễn Tiến Cường, Trần Thu Hà,Lê Thu Hoài, Nguyễn Bá Hưng, Dương Thị Thanh Hương, Lê Hồng Phong.

Viện Cơ học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Lũ lụt là một hiện tượng thiên tai nguy hiểm thường xảy ra hàng năm ở đồng bằng sông Hồng. Kiểm soát lũ lụt là một vấn đề quan trọng được nhiều cơ quan quan tâm, trong đó có Tập thể khoa học nghiên cứu về lũ lụt của Viện Cơ học. Trong thời gian qua, Tập thể khoa học nghiên cứu về lũ lụt của Viện Cơ học đã được giao chủ trì và thực hiện một số đề tài, dự án liên quan đến việc xây dựng và áp dụng các phần mềm thủy văn, thủy lực phục vụ kiểm soát lũ lụt ở đồng bằng sông Hồng:

- Dự án quốc tế FLOCODS: “Hệ thống hỗ trợ ra quyết định nhằm kiểm soát lũ lụt đảm bảo phát triển bền vững môi trường sinh thái châu thổ sông Hồng-Trung quốc, Việt nam” (2001-2003)

- Đề tài cấp nhà nước KC 08-13: “Nghiên cứu cơ sở khoa học cho các giải pháp tổng thể dự báo phòng tránh lũ lụt ở đồng bằng sông Hồng” thuộc chương trình Khoa học và Công nghệ trọng điểm cấp nhà nước: “Bảo vệ môi trường và phòng chống thiên tai”. (2001-2004)

- Đề tài cấp Viện khoa học và Công nghệ Việt nam “Áp dụng phương pháp tính song song trong việc kết nối các mô hình thủy văn và mô hình thủy lực phục vụ dự báo và kiểm soát lũ lụt lưu vực sông Hồng”. (2005-2006)

- Đề tài cấp nhà nước KC 08-17 “Hoàn thiện công nghệ dự báo lũ cho hệ thống sông Hồng-sông Thái Bình” thuộc chương trình Khoa học và Công nghệ trọng điểm cấp nhà nước: “Bảo vệ môi trường và phòng chống thiên tai”. (2008-2010)

Với sự nỗ lực phấn đấu của tập thể các cán bộ trong nhóm nghiên cứu dưới sự dẫn dắt của các giáo sư đầu ngành của Viện Cơ học và sự phối hợp, cộng tác của các cơ quan nghiên cứu và chức năng trong và ngoài nước, trong thời gian hơn 10 năm qua tập thể chúng tôi đã xây dựng được cho mình một số công cụ để phục vụ công tác kiểm soát lũ lụt ở đồng bằng sông Hồng sông Thái Bình. Trong đó có thể kể đến các phần mềm chính sau:

STT Tên phần mềm Mô tả tóm tắt1 IMECH_DBFCRRS Ngân hàng dữ liệu

2.1 IMECH_HYDROLOG Tính toán thuỷ văn2.2 IMECH_MARINE Tính toán thuỷ văn3 IMECH_1D Thuỷ lực 1D4 IMECH _ECOMOD_UFV Thuỷ lực 2D5 IMECH_1DBREAK Vỡ đập 1D6 IMECH_2DBREAK Vỡ đập 2D7 IMECH_ECONOM Mô hình KT-XH8 FLOOD_SCENARIO Công nghệ tạo kịch bản lũ

9.1 IMECH_1D_ HYDROLOG Tích hợp thuỷ văn và thuỷ lực9.2 IMECH_1D_2D Tích hợp thuỷ lực 1D và 2D9.3 IMECH_1D_BREAK Tích hợp thuỷ lực 1D và mô hình phát triển vết

vỡ

Khảo sát công trường nhà máy thủy điện Sơn La (năm 2007)Do tranh thủ được sự hợp tác quốc tế, đặc biệt là các nhà khoa học châu Âu, với

những nỗ lực của mình nhiều sản phẩm phần mềm của đề tài đã đạt được trình độ khoa học cao ngang tầm quốc tế. Các kết quả ấy đã được Hội đồng nghiệm thu các cấp xem xét đánh giá và được Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ trao giải thưởng và bằng khen nhân dịp tổng kết 5 năm hoạt động khoa hoc công nghệ 2001-2005.

Khảo sát tại nhà máy thủy điện Tuyên Quang (năm 2010)Các phần mềm thủy văn và thủy lực của chúng tôi đã và đang ngày một được cải tiến

và hoàn thiện ở các cấp độ cao hơn phù hợp với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật. Hiện nay các phần mềm này đã được kết nối với nhau để tạo ra các công cụ phục vụ các bài toán cụ thể của công tác kiểm soát lũ lụt nói chung và kiểm soát lũ lụt ở đồng bằng sông Hồng nói riêng. Các công cụ này đã và đang được triển khai ứng dụng tại một số nơi như:

- Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương, Bộ Tài nguyên Môi trường- Cục Quản lý đê điều và Phòng chống lụt bão, Bộ Nông Nghiệp và PT Nông thôn- Cục Tài nguyên nước, Bộ Tài nguyên và Môi trường- Tại Viện Cơ học, Viện Khoa học và Công Nghệ Việt NamCác công cụ này đã giúp giải quyết các bài toán khó trong kiểm soát lũ lụt ở đồng

bằng sông Hồng và đã khẳng định được các giá trị của mình thông qua các kết quả ứng dụng. Cụ thể là các công cụ này đã cho phép:

- Dự báo được lưu lượng vào các hồ chứa ở thượng nguồn hệ thống sông Hồng- Điều hành hệ thống các hồ chứa (Sơn La ,Hòa Bình, Thác Bà và Tuyên Quang)- Dự báo trước mực nước và lưu lượng tại các vị trí quan trong ở hạ du (Hà Nội,

Phả Lại, …).Trong các công cụ phục vụ kiểm soát lũ lụt thì các phần mềm thủy văn và thủy lực

đóng vai trò nòng cốt.

Lưu vực sông Đà trong mô hình thủy văn phân bố IMECH_MARINEMô hình thủy văn có chức năng thu gom nước trên bề mặt các lưu vực từ mưa và tập

trung nước ra các sông chính. Mô hình Thuỷ văn là một trong những công cụ hàng đầu

của hệ thống các công cụ dự báo và kiểm soát lũ lụt đã được xây dựng, thử nghiệm và khai thác. Trước tiên, phương pháp tính dòng chảy từ mưa được xây dựng trên cơ sở tính lưu lượng phụ do mưa gây ra bằng công thức tích phân của hàm có biến số là lượng mưa trung bình khu vực. Lưu lượng phụ này là thành phần của công thức tính lưu lượng lũ tuyến dưới trên sông bằng phương pháp sóng động học hay bằng công thức Duhamel.

Kết quả dự báo trước 36 giờ lưu lượng vào hồ Hòa Bình mùa lũ năm 2008 Song song với công nghệ dự báo dòng chẩy từ mưa nêu trên, được sự cộng tác và

giúp đỡ của Viện Cơ học Chất lỏng Toulouse (IMFT), Cộng hoà Pháp, nhóm nghiên cứu đã xây dựng và thử nghiệm công nghệ mô phỏng và dự báo dòng chẩy từ mưa trên lưu vực dựa trên việc kết nối Mô hình MARINE (IMFT) và Mô hình Thuỷ lực 1D của Viện Cơ học trên lưu vực sông Đà. Công cụ kết nối này đã được chính thức sử dụng để dự báo lưu lượng vào hồ Hòa Bình trong mùa lũ tại Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương từ năm 2008.

Kết quả dự báo trước 48 giờ lưu lượng vào hồ Hòa Bình bằng IMECH_MARINE cho trận lũ diễn ra từ ngày 04 tháng 07 đến ngày 10 thang 07 năm 2009

Mô hình thủy lực có chức năng thu gom nước từ phần mềm thủy văn và diễn toán dòng chảy trên hệ thống sông. Mô hình thủy lực bao gồm các mô hình thủy lực một chiều và hai chiều. Mô hình Thuỷ lực một chiều và một chiều mở rộng là công cụ xương sống của hệ thống các công cụ dự báo và kiểm soát lũ lụt, đã được xây dựng. Trước tiên, mô hình này đã được kiểm định kĩ lưỡng theo 12 tiêu chuẩn do các Viện nghiên cứu Thủy lực hàng đầu của châu Âu xây dựng và đề xuất. Sau khi kiểm định theo các tiêu chuẩn quốc tế, mô hình đã được kiểm định theo số liệu thực đo về thuỷ văn của mùa lũ các năm 1996, 1999 và 2000. Mô hình Thủy lực một chiều đã được mở rộng cho toàn đồng bằng sông Hồng - Thái bình bằng cách kết nối dòng chẩy trong sông với dòng chẩy ngoài sông qua dòng chẩy tràn đê, qua các công trình phân lũ và chậm lũ. Trong trường hợp này, dựa trên bản đồ địa hình số tỉ lệ 1/50.000 và 1/25.000, toàn bộ đồng bằng sông Hồng đã được chia thành 278 ô, các ô được bao quanh bởi đường giao thông hoặc đê.

Sơ đồ mạng sông được đưa vào tính toán trong phần mềm thủy lực 1D mở rộngTrong khuôn khổ của các đề tài, dự án mà tập thể chúng tôi đã thực hiện cùng với

công nghệ dự báo thuỷ văn, mô hình phát triển vết vỡ đê, hệ thống mô hình thuỷ lực một chiều mở rộng này sẽ có khả năng: Mô phỏng và dự báo lũ (ngắn hạn) trên hệ thống sông Hồng - Thái Bình trong trường hợp lũ chưa lớn tới mức phải sử dụng các biện pháp công trình kiểm soát lũ. Mô phỏng và dự báo tình trạng ngập lụt khi xảy ra lũ lớn với việc sử dụng các biện pháp công trình kiểm soát lũ: điều hành hồ (Hoà Bình, Thác Bà, Tuyên Quang và Sơn La); vận hành công trình phân lũ và các khu chậm lũ; hoặc khi xảy ra quá trình tràn đê và vỡ đê.

Kết quả dự báo trước 24 giờ mực nước sông Hồng tại trạm thủy văn Hà Nội so với số liệu thực đo mùa lũ năm 2008

Cùng với sự hợp tác quốc tế, tập thể chúng tôi đã xây dựng các mô hình thuỷ lực 2 chiều và tích hợp với hệ thống mô hình thuỷ lực 1 chiều. Các mô hình này được xây dựng dựa trên phương pháp lưới không cấu trúc. Để kiểm định các mô hình Thuỷ lực 2 chiều, hàng loạt các tiêu chuẩn kiểm tra (các bài toán mẫu) do các Viện Nghiên cứu Thuỷ lực hàng đầu của châu Âu đề xuất đã được sử dụng. Kết quả cho thấy các mô hình đã vượt qua được các bài toán kiểm tra này. Các mô hình Thuỷ lực 2 chiều cho phép đánh giá chính xác hơn khả năng cắt lũ và chậm lũ của các biện pháp công trình phân và chậm lũ, đánh giá ảnh hưởng của quá trình truyền triều tới tình trạng lũ - lụt.