Các phương pháp tính toán ngập lụt hiện nay

Các phương pháp tính toán ngập lụt hiện nay

Các phương pháp được ứng dụng để xây dựng bản đồ ngập lụt trên thế giới và tại Việt Nam đang ứng dụng được mô tả sau đây: (i) Phương pháp truyền thống: xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào việc điều tra thủy văn và địa hình; (ii) Xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào điều tra các trận lũ lớn thực tế đã xảy ra; (iii) Xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào việc mô phỏng các mô hình thủy văn và thủy lực kết hợp GIS; (iv) Xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào việc kết hợp mô phỏng và công nghệ GIS chồng lớp bản đồ ngập lụt.

Mỗi một phương pháp nêu ở trên đều có các ưu và nhược điểm riêng trong việc xây dựng và tính toán diện tích ngập lụt. Cụ thể về ưu nhược điểm của các phương pháp được mô tả chi tiết trong phần dưới đây.

Phương pháp truyền thống:

Bản đồ ngập lụt xây dựng theo phương pháp truyền thống dựa vào việc điều tra thủy văn và địa hình. Bản đồ ngập lụt xây dựng theo phương pháp truyền thống này chủ yếu là đi điều tra chế độ thủy văn và địa hình, v.v. Phương pháp này chỉ tái hiện lại hiện trạng ngập lụt đã xảy ra trong quá khứ, chưa mang tính dự báo. Tuy nhiên,  phương pháp này vẫn mang ý nghĩa to lớn, đặc biệt là trong công tác chỉ huy phòng chống lụt bão cũng như làm cơ sở để đánh giá, so sánh các nghiên cứu tiếp theo. Tuy vậy phương pháp này có những hạn chế là tốn kinh phí, thời gian và tốn công. Mặt khác không thể đáp ứng để dự báo tình hình ngập lụt trong tương lai do BĐKH xảy ra vào năm 2020, 2100 được. Vì trong tương lai chưa có số liệu nên không thể thu thập và đo đạc số liệu được.

Phương pháp dựa vào số liệu điều tra, thu thập từ nhiều trận lũ đã xảy ra:

Phương pháp xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào số liệu điều tra, thu thập từ
nhiều trận lũ đã xảy ra nói chung là phản ảnh là đáng tin cậy nhất, vì vấn đề ngập lụt thường là nghiêm trọng nhất và ảnh hưởng nhiều nhất là vào giai đoạn lũ quét và lũ lớn. Tuy nhiên, như chúng ta đã biết số lượng trạm quan trắc và việc điều tra số liệu các trận lũ lớn thường là rất hạn chế vì tốn kinh phí, tốn công cũng như kỹ thuật, v.v. Điều quan trọng về hạn chế của phương pháp này là không thể dự báo tình hình ngập lụt trong tương lai khi mà hiện tượng BĐKH ngày càng trở nên gay gắt. Sẽ không đáp ứng được mục đích ứng phó BĐKH cho tỉnh và cho phát triển bền vững trong tương lai. Vì vậy, phương pháp này tỏ ra hạn chế về tính ứng dụng của bản đồ ngập lụt trong tương lai.

Phương pháp xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào việc mô phỏng các mô hình thủy văn và thủy lực kết hợp GIS:

Sử dụng công cụ mô phỏng, mô hình hóa bằng các mô hình thủy văn,
thủy lực kết hợp GIS là rất cần thiết và có hiệu quả hơn rất nhiều và cũng là cách tiếp cận hiện đại và đang được sử dụng rộng rãi trong thời gian gần đây cả trên thế giới và ở Việt Nam trong sự kết hợp với cả các lợi thế của phương pháp truyền thống. Một số mô hình đang sử dụng rộng rãi hiện nay là mô hình: MIKE 11, MIKE FLOOD, Ltank, HEC-HMS, HEC-RAS, VRSAP, NAM, MIKE, MIKE 11, MIKE FLOOD, vv.

Mô hình MIKE: do Viện thủy lực Đan Mạch (DHI) xây dựng được tích hợp rất nhiều các công cụ mạnh, có thể giải quyết các bài toán cơ bản trong lĩnh vực tài nguyên nước. Tuy nhiên đây là mô hình thương mại, phí bản quyền rất cao nên không phải cơ quan nào cũng có điều kiện sử dụng.  Mô hình MIKE 11: là mô hình một chiều trên kênh hở, bãi ven sông, vùng ngập lũ, trên sông kênh có kết hợp mô phỏng các ô ruộng mà kết quả thuỷ lực trong các ô ruộng là “giả 2 chiều”. MIKE 11 có một số ưu điểm nổi trội so với các mô hình khác như có liên kết với GIS, kết nối với các mô hình thành phần khác của bộ MIKE ví dụ như mô hình mưa rào - dòng chảy NAM, mô hình thủy động lực học 2 chiều MIKE 21, mô hình dòng chảy nước dưới đất,
dòng chảy tràn bề mặt và dòng bốc thoát hơi thảm phủ (MIKE SHE), tính toán chuyển tải chất khuyếch tán, vận hành công trình, tính toán quá trình phú dưỡng, v.v. Như đã đề cập ở trên thì mô hình MIKE 11 đã được ứng dụng tính toán rộng rãi tại Việt Nam và trên phạm vi toàn thế giới. Tuy nhiên, MIKE 11 không có khả năng mô phỏng tràn bãi sông nên trong các bài toán ngập lụt MIKE 11 chưa mô phỏng một cách đầy đủ quá trình nước dâng từ sông tràn vào ruộng và ngược lại. Để giải quyết vấn đề này các tác giả phát triển mô hình MIKE đã phát triển them mô hình thủy lực hai chiều là MIKE 21 và bộ kết nối MIKE FLOOD.  MIKE 21 và MIKE FLOOD là mô hình thủy động lực học dòng chảy 2 chiều trên vùng ngập lũ đã được ứng dụng tính toán rộng rãi tại Việt Nam và trên phạm vi toàn thế giới. Mô hình MIKE 21 là mô hình thủy động lực học mô phỏng mực nước và dòng chảy trên sông, vùng cửa sông, vịnh và ven biển. Mô hình mô phỏng dòng chảy không ổn định hai chiều ngang đối với một lớp dòng chảy. Mô hình Ltank do PGS.TS Nguyễn Văn Lai phát triển năm 1986 và ThS Nghiêm Tiến Lam viết sang giao diện máy vi tính trên ngôn ngữ lập trình là VisualBasic, đây là một phiên bản cải tiến từ mô hình Tank gốc. Mô hình toán mưa rào dòng chảy dựa trên quá trình trao đổi lượng ẩm giữa các tầng mặt, ngầm lưu vực, và bốc hơi. Ứng dụng tốt cho lưu vực vừa và nhỏ.  Mô hình HEC-RAS do Trung tâm Thủy văn kỹ thuật quân Đội Hoa Kỳ xây dựng được áp dụng để tính toán thủy lực cho hệ thống sông. Phiên bản mới hiện nay đã được bổ sung thêm modul tính vận chuyển bùn cát và tải khuếch tán. Mô hình HEC-RAS được xây dựng để tính toán dòng chảy trong hệ thống sông có sự tương tác 2 chiều giữa dòng chảy trong sông và dòng chảy vùng đồng bằng lũ. Khi mực nước trong sông dâng cao, nước sẽ tràn qua bãi gây ngập vùng đồng bằng, khi mực nước trong sông hạ thấp nước sẽ chảy lại vào trong sông. Mô hình HEC-HMS là mô hình mưa dòng chảy của Trung tâm Thủy văn kỹ thuật quân đội Hoa Kỳ được phát triển từ mô hình HEC-1, mô hình có những cải tiến đáng kể cả về kỹ thuật tính toán và khoa học thủy văn thích hợp với các lưu vực sông vừa và nhỏ. Là dạng mô hình tính toán thủy văn được dùng để tính dòng chảy từ số liệu đo mưa trên lưu vực. Trong đó các thành phần mô tả lưu vực sông gồm các công trình thủy lợi, các nhánh sông. Mô hình NAM được xây dựng 1982 tại khoa thủy văn Viện kỹ thuật thủy động lực và thủy lực thuộc đại học kỹ thuật Đan Mạch. Mô hình dựa trên nguyên tắc các bể chứa theo chiều thẳng đứng và hồ chứa tuyến tính. Mô hình tính quá trình mưa - dòng chảy theo cách tính liên tục hàm lượng ẩm trong năm bể chứa riêng biệt tương tác lẫn nhau. Mô hình VRSAP là tiền thân là mô hình KRSAL do cố PGS.TS. Nguyễn Như Khuê xây dựng và được sử dụng rộng rãi ở nước ta trong vòng 25 năm trở lại đây. Đây là mô hình toán thủy văn – thủy lực của dòng chảy một chiều trên hệ thống sông ngòi có nối với đồng ruộng và các khu chứa khác.

Các mô hình trên tỏ ra có nhiều thuận lợi vì nó có thể tính toán bao gồm đầy đủ các điều kiện địa phương. Tuy nhiên khó khăn nhất là các mô hình trên đòi hỏi phải mua bản quyền tốn một số kinh phí cao. Ngoài ra các mô hình trên đòi hỏi công việc tính toán mất thời gian và đòi hỏi chuyên gia về mô hình số trị.

Phương pháp kết hợp mô phỏng và công nghệ GIS chồng lớp bản đồ ngập lụt:

Như chúng ta đã biết hiện nay với sự phát triển của máy tính và các hệ thống thông tin, cơ sở dữ liệu, ngày càng có nhiều ứng dụng phát triển dựa trên nền hệ thông tin địa lý (GIS). Việc xây dựng bản đồ ngập lụt và dự báo tính toán ngập lụt trong tương lai là một trong những ứng dụng quan trọng, mang lại nhiều lợi ích thiết thực trong thực tiễn công tác phòng chống lụt bão và giảm nhẹ do BĐKH gây ra trong tương lai. Phương pháp kết hợp mô phỏng và công nghệ GIS chồng lớp bản đồ ngập lụt hiện nay được sử dụng rất phổ biến trong các nghiên cứu BĐKH như dự án BĐKH Hậu Giang, dự án BĐKH An Giang, v.v. Cụ thể của phương pháp này, thứ nhất là sử dụng các mô hình mô phỏng và dự báo mực nước dâng do BĐKH trong tương lai. Có 2 phương pháp được sử dụng để mô phỏng dự báo mực nước biển dâng là phương pháp chi tiết hóa thống kê (MAGIC, SIMCLIM, SLRPP) và ứng dụng sản phẩm của mô hình số trị. Đối với phương pháp dùng mô hình số trị thì có ưu điểm của phương pháp số trị là có thể mô tả được quá trình mực nước biển dâng tới từng khu vực cụ thể với các thời kỳ dâng rút theo chu kỳ khí hậu. Nhược điểm của phương pháp này là chưa mô tả đúng được quá trình tan băng nên các kết quả thường xuyên thấp khi kiểm chứng với số liệu thực đo. Mặt khác, do mô hình với quy mô toàn cầu nên đòi hỏi khối lượng tính toán quá lớn, yêu cầu phải có hệ thống siêu máy tính chạy trong thời gian khá dài. Vì vậy, mà tại Việt Nam vẫn chưa dùng phương pháp này.

Phương pháp được sử dụng để dự báo mực nước biển dâng sử dụng trong dự án này là phương pháp chi tiết hóa thống kê. Tại Việt Nam đã có kịch bản BĐKH năm 2009 sau đó kết hợp với các số liệu địa phương  phục vụ chi tiết hóa của kịch bản đã được thực hiện vì vậy phương pháp chi tiết hóa thống kê được áp dụng trong điều kiện hiện nay ở Việt Nam. Bước thứ hai của phương pháp tính toán và dự báo ngập lụt này là tiến hành thu thập số liệu mực nước của các trận lũ, thực hiện tính toán mô hình số độ cao (DEM), tiếp đến là kết hợp các phần mềm GIS khác nhau để chồng lớp bản đồ ngập lụt như ARCGIS, Mapinfo, Surfer, Global mapper, v.v. Các số liệu về mực nước tại Tây Ninh được quan trắc đầy đủ từ mấy chục năm trở lại đây theo giờ. Các phần mềm thuộc công nghệ GIS như ARCGIS, Mapinfo, Surfer, Global mapper, vv dễ tiếp cận và không tốn quá nhiều kinh phí như các mô hình trên vì vậy chúng tôi sử dụng phương pháp này với mục đích là xây dựng bản đồ ngập lụt cho tỉnh Tây Ninh.