i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------

LÊ NHƯ NGÀ

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS

XÁC ĐỊNH NGUY CƠ TAI BIẾN LŨ QUÉT

LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠN

Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thống thông tin địa lý

Mã số: 62 44 76 01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÍ

Hà Nội, 2016

Luận án được hoàn thành tại Khoa Địa lý - Trường đại học Khoa

học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội

Người hương dân khoa hoc:

1. PGS.TS. Nguyễn Ngọc Thạch

2. PGS.TS. Lã Văn Chú

Phản biện 1: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Phản biện 2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Phản biện 3: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Luận án sẽ được bảo vệ trươc Hội đồng cấp Đại hoc Quốc gia

chấm luận án tiến sĩ hop tại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . vào hồi giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại hoc Quốc gia Hà Nội

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Lũ quét là thiên tai nguy hiểm chết người nhất [72]. Lũ quét ở

nươc ta ngày càng gia tăng cả về tần suất xuất hiện và tính cực đoan,

xảy ra hằng năm ở vùng núi, thượng nguồn, ở các lưu vực nhỏ và vừa,

nơi thiếu nhiều dữ liệu và nghiên cứu [9, 35]. Sông Năng là lưu vực

nhỏ, đồi núi và thường xuyên xảy ra lũ quét gây thiệt hại lơn về người

và của [10-20]. Hiện tại, độ tin cậy của dự báo, mô phỏng lũ quét vân

chưa cao vì tính chất quá phức tạp của lũ quét. Việc nâng cao chất

lượng dữ liệu đầu vào, xây dựng và áp dụng các công cụ, mô hình mơi

được ưu tiên [69]. Các mô hình định lượng thủy văn, thủy lực có độ

tin cậy cao nhưng đòi hỏi nhiều số liệu chi tiết và khó áp dụng cho

vùng đồi núi. Nươc ta hiện nay, phương pháp phân tích đa biến được

áp dụng phổ biến vì đơn giản nhưng mang nhiều định tính và loại bỏ

tính chất động của lũ quét. Một mô hình định lượng nhờ sự tích hợp

và kế thừa những ưu điểm của GIS, viễn thám và thủy văn sẽ cho phép

mô phỏng được nguy cơ lũ quét chi tiết hơn và tin cậy hơn cho vùng

núi cao và thiếu nhiều số liệu là khả thi và cần thiết.

Từ yêu cầu thực tiễn đó luận án chon đề tài nghiên cứu “Xây

dựng mô hình tích hợp viễn thám và GIS xác định nguy cơ lũ quét lưu

vực sông Năng, Bắc Kạn”.

2. Mục đích và nhiệm vụ

a) Mục đích: Xây dựng mô hình có khả năng xác định nguy cơ lũ

quét cho lưu vực sông vừa/nhỏ, vùng đồi núi, địa hình dốc, phức tạp,

thiếu nhiều tài liệu hỗ trợ; Áp dụng mô hình để xác định được nguy cơ

lũ quét cho lưu vực sông Năng, Bắc Kạn.

b) Nhiệm vụ: Làm rõ khái niệm, nguyên nhân hình thành và phân

loại lũ quét; Nghiên cứu các công trình khoa hoc trong và ngoài nươc

về lũ quét, từ đó đánh giá những hạn chế của các phương pháp, mô

hình nghiên cứu đã có; đề xuất hương nghiên cứu của luận án; Đánh

giá, xác định các công cụ GIS, viễn thám và thủy văn áp dụng cho

nghiên cứu lũ quét; Xây dựng mô hình xác định nguy cơ lũ quét; Ứng

dụng mô hình để tính toán và xác định nguy cơ lũ quét cho lưu vực

sông Năng, Bắc Kạn.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu: Lũ quét và các nhân tố gây ra lũ quét.

Tập trung vào một loại lũ quét điển hình ở nươc ta - đó là lũ quét sườn

dốc và nghẽn dòng tự nhiên do mưa lơn.

b) Phạm vi nghiên cứu: Các lưu vực sông vừa/nhỏ, vùng đồi núi.

Áp dụng cho lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn.

4. Đóng góp mới của luận án

- Đưa ra mô hình phân bố xác định nguy cơ lũ quét định tính bán

định lượng trên cơ sở phân tích diễn biến đặc trưng thủy văn dươi sự

hỗ trợ của GIS và viễn thám.

- Lượng hóa được mối quan hệ giữa lũ quét vơi các điều kiện tự

nhiên, khí tượng - thủy văn lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn.

- Trên cơ sở phương pháp, mô hình lũ quét mơi đã xây dựng

được các bản đồ mơi về nguy cơ lũ quét cho lưu vực sông Năng, tỉnh

Bắc Kạn.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

a) Ý nghĩa khoa học:

- Nghiên cứu này chứng minh được việc tích hợp GIS, viễn thám

để xác định nguy cơ lũ quét cho lưu vực nhỏ vùng đồi núi, địa hình

phức tạp, thiếu tài liệu hỗ trợ là có cơ sở khoa hoc, phù hợp, khả thi và

cải thiện được chất lượng kết quả.

- Củng cố thêm vai trò quan trong của viễn thám trong xây dựng

dữ liệu lơp phủ và NDVI trong bài toán lũ quét; Khẳng định được vai

trò quan trong và tính hiệu quả cao của GIS trong mô hình hóa bài

toán thủy văn và lũ quét.

b) Ý nghĩa thực tiễn:

- Cơ sở khoa hoc về lũ quét, mô hình lũ quét, kết quả mô phỏng

lũ quét của luận án là tài liệu tin cậy để tham khảo và có thể được áp

dụng cho vùng nghiên cứu khác;

- Kết quả mô phỏng nguy cơ lũ quét là tài liệu tin cậy và có giá trị

giúp cho quy hoạch, phân vùng kinh tế - xã hội, quản lý và giảm nhẹ

thiên tai lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn.

6. Phương pháp nghiên cứu

· Cơ sở khoa hoc và đặc trưng lũ quét, thủy văn;

· Các công cụ của GIS trong thủy văn, lũ quét;

· Các công cụ của Viễn thám trong thủy văn, lũ quét;

· Các ưu điểm và hạn chế của phương pháp nghiên cứu

lũ quét hiện tại.

Mô hình ý tưởng

xác định nguy cơ

lũ quét

Mô hình ý tưởng

xác định nguy cơ

lũ quét

Xây dựng mô hìnhXây dựng mô hình

Mô phỏng nguy cơ

lũ quét

Mô phỏng nguy cơ

lũ quét

Dữ liệu:

- mưa

- sdđ/lơp phủ

- NDVI

- đất

- độ dốc

- lũ quét lịch sử

Dữ liệu:

- mưa

- sdđ/lơp phủ

- NDVI

- đất

- độ dốc

- lũ quét lịch sử

Nguy cơ lũ quét

lưu vực sông Năng

Nguy cơ lũ quét

lưu vực sông Năng

Phần mềm (mô hình

vật lý) xác định nguy

cơ lũ quét

Phần mềm (mô hình

vật lý) xác định nguy

cơ lũ quét

Lập trìnhLập trình

Phân tích tương quan lũ

quét vơi các nhân tố

Phân tích tương quan lũ

quét vơi các nhân tố

Hình 1-1. Quy trình tổng quát nghiên cứu của luận án

7. Cấu trúc luận án

Luận án bao gồm 199 trang A4, gồm: mở đầu, 4 chương nội

dung, kết luận, tài liệu tham khảo và phần phụ lục. Trong đó, Chương

1 - Tổng quan về vấn đề nghiên cứu (31 trang); Chương 2 - Mô hình

xác định nguy cơ lũ quét (27 trang); Chương 3 - Đặc điểm lũ quét và

các nhân tố hình thành lũ quét lưu vực sông Năng, Bắc Kạn (32

trang); Chương 4 - Tính toán, xác định nguy cơ lũ quét lưu vực sông

Năng, tỉnh Bắc Kạn (37 trang).

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.

1.1. Khái niệm lũ quét

Khái niệm lũ quét chưa hoàn toàn thống nhất. Dựa trên phạm vi

và đối tượng nghiên cứu, luận án sử dụng khái niệm: “Lũ quét là

những trận lũ lớn, xảy ra bất ngờ, tồn tại trong một thời gian ngắn, có

dòng chảy xiết, có hàm lượng chất rắn cao và có sức tàn phá lớn hơn

nhiều mức lũ bình thường và thường xảy ra ở thượng nguồn khe, suối,

sông và trên những lưu vực tương đối nhỏ nơi có tổ hợp các yếu tố bất

lợi của điều kiện bề mặt và địa hình”.

1.2. Phân loại lũ quét

Phân loại lũ quét còn nhiều khác biệt. Dựa trên phạm vi và đối

tượng nghiên cứu, luận án sử dụng phân loại lũ quét theo nguyên nhân

hình thành: (1) lũ quét nghẽn dòng, (2) lũ quét sườn dốc, (3) lũ quét

hỗn hợp và (4) lũ bùn đá. Theo các nghiên cứu trươc đây thì lũ quét ở

nươc ta bao gồm cả 4 loại nêu trên, trong đó tần suất xuất hiện thì lũ

quét sườn dốc trội hơn cả và tiếp theo là lũ quét nghẽn dòng [9]. Theo

thông tin của Đài KTTV Bắc Kạn thì trong phần lơn các trận lũ quét

xảy ra trong vùng nghiên cứu thuộc loại lũ quét sườn dốc.

Luận án sẽ không đi sâu vào nghiên cứu và mô phỏng loại 3 và 4

mà chỉ tập trung vào loại 1 và một phần của loại 2 là lũ quét nghẽn

dòng tự nhiên.

1.3. Nghiên cứu lũ quét trên thế giới

1.3.1. Phương pháp phân tích và chồng xếp nhân tố

Còn được goi là phương pháp phân tích đa biến, mô tả định tính

nguy cơ lũ quét (FFPI) dựa trên những nhân tố chính như là độ dốc,

lơp phủ bề mặt, sử dụng đất, loại và cấu tượng của đất [75].

FFPI được xác định bằng trung bình hóa số hoc có trong số như

công thức 1-1 [81].

FFPI=(w1*Sl+w2*LL+w3*So+w4*VD)/(w1+w2+w3+w4) (1-1)

Trong đó, FFPI – chỉ số nguy cơ lũ quét, Sl – độ dốc, LL – lơp phủ/sử

dụng đất, So – đất, VD – mật độ rừng và thực vật, và w1, w2, w3, và

w4 - trong số tương ứng của Sl, LL, So, và VD.

Phương pháp này đơn giản nhưng độ tin cậy không cao, không

quá phổ biến và chỉ áp dụng để bổ sung cho phương pháp thủy

văn/thủy lực.

1.3.2. Phương pháp thủy văn/thủy lực

Đặt và giải bài toán lũ quét theo cách tiếp cận thủy văn/thủy lực 1

hoặc 2 chiều thông qua mô hình số trị (phần mềm) dân nguồn từ

phương trình Saint Venant/Navier-Stocks. Mô hình thủy lực xác định

được ranh giơi và độ sâu ngập lụt. Mô hình thủy văn cho kết quả lưu

lượng tại các cửa ra của phụ lưu và là dữ liệu đầu vào cho mô hình

thủy lực. Phương pháp này sử dụng nhiều trên thế giơi như Mỹ, Châu

Âu, Nhật Bản vì cho kết quả định lượng và tin cậy. Đặc biệt, phương

pháp thủy văn được áp dụng phổ biến trên thế giơi trong các hệ thống

cảnh báo vì chạy nhanh. Nhưng, phương pháp này đòi hỏi nhiều số

liệu chi tiết, thời gian tính toán lâu, xây dựng mô hình tốn kém và đôi

khi không thực hiện được đối vơi những khu vực có địa hình quá phức

tạp vùng núi cao.

1.3.3. Phương pháp và nghiên cứu khác

Các phương pháp khác cũng được sử dụng như thống kê cho mục

đích dự báo lũ quét trung và dài hạn; xây dựng/gắn các thiết bị đo tự

động dòng chảy trực tiếp trên các cầu bắc qua suối, vào các hòn đá

trên sườn núi, trong các con suối cho mục đích cảnh báo sơm lũ quét

trong trường hợp các mô hình cảnh báo sai [61] .

1.4. Nghiên cứu lũ quét ở Việt Nam

1.4.1. Phương pháp phân tích và chồng xếp nhân tố

Phương pháp áp dụng ở Việt Nam tương tự như của nươc ngoài

nhưng thường có thêm nhân tố lượng mưa. Mưa được sử dụng có thể

là mưa ngày lơn nhất, mưa trung bình ngày, mưa trung bình tháng,

mưa trung bình năm.

Phương pháp này được sử dụng rất phổ biến ở nươc ta hiện nay

vì tính đơn giản và hiệu quả.

1.4.2. Phương pháp thủy văn/thủy lực

Phương pháp này còn ít được sử dụng để nghiên cứu lũ quét ở

nươc ta vì phức tạp, tốn kém và đòi hỏi nhiều dữ liệu chi tiết. Chỉ có

một vài nghiên cứu, mô phỏng lại các trận lũ quét đã xảy ra ở phần

thấp của lưu vực [8].

1.4.3. Phương pháp và nghiên cứu khác

Một số phương pháp khác cũng được nghiên cứu và áp dụng ở

nươc ta: phương pháp thống kê số lượng lơn lũ quét và lượng mưa tìm

ra quy luật, ngưỡng mưa gây ra lũ quét [1-4, 33, 34]; phương pháp

mạng thần kinh nhân tạo [23]; phương pháp địa động lực [31].

1.5. Nghiên cứu lũ quét tại lưu vực sông Năng, Bắc Kạn

Cho đến nay chưa có một nghiên cứu chuyên biệt về lũ quét cho

lưu vực sông Năng, Bắc Kạn. Chỉ có một số nghiên cứu ở phạm vi

không gian rộng hơn và bao trùm lưu vực. Các nghiên cứu này đều áp

dụng phương pháp thống kê để xác định nguyên nhân và ngưỡng mưa

hình thành lũ quét và phương pháp phân tích và chồng xếp nhân tố để

xây dựng bản đồ nguy cơ lũ quét [6].

Tiểu kết chương 1

Lũ quét ở nươc ta và lưu vực sông Năng chủ yếu là lũ quét sườn

dốc [9]; Có 2 phương pháp nghiên cứu phổ biến nhất hiện nay là

phương pháp thủy văn/thủy lực và phân tích nhân tố để mô phỏng, xây

dựng bản đồ nguy cơ, phân vùng lũ quét; Phương pháp nhân tố đơn

giản, khả thi cao nhưng mang nhiều định tính, triệt tiêu tính chất động

tự nhiên của lũ lụt. Phương pháp thủy văn/thủy lực mang nhiều định

lượng nhưng khó áp dụng, đòi hỏi nhiều thời gian và dữ liệu chi tiết.

Luận án sẽ giải quyết các vấn đề cơ bản sau:

- Nghiên cứu, lựa chon và áp dụng mô hình thủy văn đã được

đơn giản hóa có thể giải được bằng phương pháp số hoc bản đồ trong

GIS.

- Nghiên cứu, lựa chon và áp dụng các hàm/công cụ GIS để giải

bài toán thủy văn.

- Nghiên cứu và xây dựng bản đồ lơp phủ từ ảnh vệ tinh Landsat;

nghiên cứu và áp dụng chỉ số thảm thực vật (NDVI) từ ảnh vệ tinh

Landsat để chi tiết hóa và nâng cao chất lượng dữ liệu lơp phủ.

- Xây dựng mô hình phân bố (distributed model) từ việc tích

hợp GIS, viễn thám và thủy văn có thể mô phỏng lũ quét cho vùng

núi, đầu nguồn lưu vực nươc ta, nơi có địa hình phức tạp và thường

xảy ra lũ quét sườn dốc.

- Áp dụng mô hình lũ quét để mô phỏng thử cho khu vực lưu

vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn.

Chương 2. MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH NGUY CƠ LŨ QUÉT

2.1. Cơ sở hình thành lũ quét

Độ ẩm bề mặt

Lơp phủ bề mặt

Mưa

Đất bề mặt

Thấm, ngấm, bốc hơi

Mưa hiệu quả

(dòng chảy mặt)Độ dốc lưu vực

Hình dạng lưu vực

Kích thươc lưu vực

Điều kiện ban đầu và tính

chất của bề mặt lưu vực

Địa hình, địa mạo

lưu vực

Gom nước

Dòng chảy

trong suối, sôngĐộ dốc suối, sông

Diện tích mặt cắt suối, sông

Khả năng tải

của suối, sông

Suối, sông bị

quá tải?

Lũ quét

Đúng

Không có

lũ quét

Sai

Hình 2-1. Sơ đồ tổng quát cơ sở hình thành lũ quét

2.2. Phương pháp SCS xác định mưa hiệu quả

2.2.1. Mưa hiệu quả

Mưa hiệu quả là lượng mưa còn lại tại bề mặt đất sau khi trừ đi

các tổn thất do bốc hơi, bề mặt lơp phủ và lơp đất mặt giữ lại và đi vào

tầng nươc ngầm. Mưa hiệu quả quyết định dòng chảy mặt và lũ lụt

trên sông suối và có thể là toàn bộ lưu vực.

2.2.2. Quan hệ giữa đất và dòng chảy mặt

Lơp đất mặt có tác động trực tiếp đến mưa hiệu quả. Mỗi loại đất

có tính chất cơ lý, cấu trúc, thành phần khác nhau và do vậy có tính

chất thẩm thấu cũng khách nhau. Đất được phân thành 4 nhóm (A, B,

C và D) theo tính chất thủy văn theo NRSC [81].

2.2.3. Quan hệ giữa lớp phủ bề mặt, sử dụng đất và dòng chảy

mặt:

Tính chất thủy văn của lơp phủ không chỉ phụ thuộc loại lơp phủ,

tính chất sử dụng mà còn phụ thuộc vào mật độ, cấu trúc và tính chất

của thực vật, cây cối. Tính chất này phần nào được phản ánh bằng chỉ

số NDVI, lượng diệp lục của thực vật. Những nơi có NVDI cao là nơi

có rừng rậm, xanh tốt và có khả năng lưu trữ nươc mưa và cản trở

dòng chảy mặt hiệu quả. Ngược lại, những nơi có NDVI thấp thường

đất trống, bụi cây thưa thơt, khu dân cư, công trình xây dựng và ít có

khả năng lưu trữ nươc mưa và cản trở dòng chảy mặt.

2.2.4. Phương pháp SCS tính dòng chảy mặt:

SCS-CN là phương pháp thực nghiệm, tính mưa hiệu quả thông

qua giá trị CN [78]. Tại mỗi ô lươi hay tiểu lưu vực, ứng vơi mỗi loại

lơp phủ/sử dụng đất và loại đất sẽ xác định được một giá trị CN tương

ứng theo. Khi có được CN thì dòng chảy mặt Q sẽ được xác định:

(2-2)

SP

SPPe

8.0

)2.0( 2

(2-3)

4.25/10

1000

SCN

(2-4)

Trong đó, Q – tổng lưu lượng cho toàn lưu vực hoặc 1 pixel (mm3

hoặc m3); A – diện tích lưu vực hoặc 1 pixel (mm2 hoặc m2); Pe –

lượng mưa hiệu quả (mm); P – lượng mưa (mm); S – khả năng lưu trữ

cực đại của bề mặt (mm).

2.3 Tính toán Qmax và TQmax

2.3.1 Phương pháp đường đẳng thời

Phương pháp được được sử dụng tính toán và xây dựng đường

quá trình lưu lượng. Lượng mưa hiệu quả sinh ra dòng chảy mặt sẽ

chảy tràn trên bề mặt và/hoặc trong kênh và sẽ mất một khoảng thời

gian nhất định để di chuyển ra tơi điểm cuối của lưu vực. Lưu lượng

tại cửa ra tại từng thời điểm được xác định theo công thức (2-6).

(2-6)

Trong đó, Qi – lưu lượng tại cửa ra tại thời điểm i (m3/s), Pi – lưu

lượng mưa hiệu quả tại thời điểm i (m/s), Ai – diện tích giữa 2 đường

đẳng thời gian tại điểm i (m2), i và k – các số tự nhiên.

Hình 2-2. Sơ đồ tính lưu lượng theo phương pháp đường đẳng thời

2.3.2 Xác định Qmax và TQmax

Qmax là lưu lượng cực đại tại mỗi ô lươi hoặc tiểu lưu vực xảy ra

trong mỗi trận mưa, nó quyết định đến việc hình thành và cường độ lũ

quét. Qmax càng lơn thì nguy cơ và cường độ lũ quét càng lơn và

ngược lại. TQmax - khoảng thời gian xảy ra Qmax so vơi mưa cực đại.

TQmax càng nhỏ thì tính bất ngờ càng cao và khó ứng phó, có nghĩa là

rủi ro càng lơn và ngược lại. Tmax là một tham số để phân biệt lũ quét

ở thượng nguồn và lũ lụt thông thường ở hạ lưu. Các nghiên cứu đã

chỉ ra rằng vơi lũ quét thì TQmax chỉ là vài giờ nhưng vơi lũ lụt ở hạ lưu

thì TQmax có thể là vài ngày, thậm chí là tuần.

Hình 2-3. Biểu đồ mô tả Qmax và TQmax

2.4 Phân tích GIS

GIS được thực hiện chính các chồng xếp, phân tích trong phương

pháp đường đẳng thời ở mục 2.3.2, xây dựng các dữ liệu đầu vào thủy

văn (độ dốc, hương dòng chảy, dòng chảy tích lũy, hệ thống sông

suối, phụ lưu) được xây dựng như sơ đồ ở Hình 2-4 và chiết xuất vùng

đất thấp dễ ngập lụt như công thức 2-14.

Độ dốcĐộ dốc

DEMDEM

Hương dòng chảyHương dòng chảy

Dòng chảy tích lũyDòng chảy tích lũy

Hệ thống sông suốiHệ thống sông suối

Phụ lưuPhụ lưu

Hình 2-4. Sơ đồ xây dựng dữ liệu thủy văn

Chỉ số ẩm ươt địa hình (TWI) được xác định bằng GIS từ DEM

theo công thức (2-14).

(2-14)

Trong đó, TWI - chỉ số ẩm ươt địa hình của pixel, a - diện tích tiểu lưu

vực cung cấp nươc cho pixel đó trên mỗi đơn vị chiều dài vuông góc

vơi dòng chảy (m2/m), và β - độ dốc của pixel (radian).

2.5 Phân tích viễn thám

Ảnh Landsat của NASA, Mỹ có từ những năm 1970. Hiện tại,

ảnh là miễn phí, chất lượng tốt, đã được nắn chỉnh hình hoc và gắn toa

độ địa lý, có độ phân giải không gian trung bình (từ 30 đến 86m) và dễ

dàng truy cập thông qua internet nên được sử dụng trong luận án để

xây dựng dữ liệu lơp phủ bề mặt và chỉ số thực vật (NDVI). Đây là 2

thông số quan trong để xác định giá trị CN trong mục 2.2.4 và được

chiết xuất theo sơ đồ ở Hình 2-5.

Dữ liệu lơp phủ

bề mặt

Dữ liệu lơp phủ

bề mặt

Giải đoán ảnh

(phương pháp

Supervised

classification )

Giải đoán ảnh

(phương pháp

Supervised

classification )

Ảnh vệ tinh

(quang phổ,

đa phổ)

Ảnh vệ tinh

(quang phổ,

đa phổ)

Dữ liệu NDVIDữ liệu NDVI

Hình 2-5. Sơ đồ tổng quan phân tích viễn thám

2.6 Xác định nguy cơ lũ quét

2.6.1 Đặc điểm chính của lũ quét

Các nghiên cứu trươc đây đều chỉ ra đặc điểm chung của lũ quét:

- Trận lũ lơn: trận lũ có lưu lượng Q lơn tơi rất lơn, lơn hơn rất

nhiều lần so vơi lưu lượng lũ bình thường;

- Xảy ra bất ngờ, tồn tại trong một thời gian ngắn: trận lũ có thời

gian lưu lượng đạt đỉnh rất nhanh và thời gian duy trì đỉnh lũ cũng rất

ngắn so vơi lũ thông thường;

- Có dòng chảy xiết, có hàm lượng chất rắn cao và có sức tàn phá

lơn hơn nhiều mức lũ bình thường.

- Thường xảy ra ở thượng nguồn lưu vực, trong kênh, suối, sông

nơi có tổ hợp các yếu tố bất lợi của bề mặt và địa hình.

2.6.2 Xác định nguy cơ lũ quét

Nguy cơ lũ quét mô tả tần suất và cường độ lũ quét xuất hiện tại

một vị trí hoặc một vùng và được thể hiện qua chỉ số nguy cơ lũ quét

(flash flood potential index - FFPI).

Hình 2-6. Sơ đồ mô hình chồng ghép các tham số thủy văn xác định

nguy cơ lũ quét

Bảng 2-1. Bảng tổng hợp và phân loại chỉ số nguy cơ lũ quét

FFPI được xác định dựa trên việc chồng ghép 3 tham tố thủy văn

chính, đó là: (1) lưu lượng cực đại vượt quá lưu lượng tràn bờ (Qmax -

Qbankfull), (2) tỷ lệ lưu lượng cực đại so vơi lưu lượng tràn bờ

(Qmax/Qbankfull) và (3) thời gian giữa đỉnh mưa và đỉnh lưu lượng

(TQmax). Phân loại lũ quét từ FFPI như Bảng 2-1.

2.7. Xây dựng phần mềm phân tích thủy văn GIS lũ quét

Phần mềm (mô hình vật lý) phân tích thủy văn GIS lũ quét được

xây dựng dựa trên phương pháp đường đẳng thời (mục 2.3.2 và Hình

2-2). Phần mềm được sử dụng để mô phỏng nguy cơ lũ quét cho lưu

vực sông Năng, Bắc Kạn ở Chương 4. Phần mềm được viết bằng ngôn

ngữ VBA trên nền của phần mềm ArcGIS. Chi tiết mã lệnh của

chương trình chỉ ra ở phụ lục 5, trang 182 của luận án.

Tiểu kết Chương 2

Dựa trên cơ sở khoa hoc về lũ quét, thủy văn, GIS và viễn thám

và đặc điểm lũ quét sườn dốc, luận án đã tích hợp và đưa ra được một

mô hình mơi có khả năng mô phỏng, xác định nguy cơ lũ quét cho các

lưu vực nhỏ, miền núi, địa hình phức tạp và thiếu nhiều thông tin, số

liệu hỗ trợ. Mô hình có khả năng mô tả tốt tính chất động và tương

quan không gian của lũ quét vơi các nhân tố hơn so vơi các mô hình

xác định, chồng xếp nhân tố lũ quét phổ biến khác. Hơn nữa, đây là

mô hình phân bố (distributed model) nên có khả năng mô phỏng chi

tiết đến từng ô lươi (pixel) so vơi trung bình toàn lưu vực như mô hình

tập trung (slumped hoặc semi-distributed model).

Mô hình áp dụng: Phương pháp đường đẳng thời xây dựng đường

quá trình lưu lượng (hydrograph) tại mỗi ô lươi trong toàn bộ lưu vực

mà không nhiều các mô hình thủy văn truyền thống thực hiện được;

Phương pháp SCS – CN được áp dụng để tính mưa hiệu quả; Ranh

giơi vùng lũ quét đi qua được xác định thông qua vùng đất thấp dễ

ngập lụt. Cả 3 phương pháp đã được khẳng định về độ tin cậy và hoàn

toàn phù hợp vơi công nghệ GIS.

Chỉ số nguy cơ lũ quét được xác định thông qua tham số thủy

văn, gồm: (1) lưu lượng cực đại vượt quá lưu lượng tràn bờ (Qmax -

Qbankfull), (2) tỷ lệ lưu lượng cực đại so vơi lưu lượng tràn bờ

(Qmax/Qbankfull) và (3) thời gian giữa đỉnh mưa và đỉnh lưu lượng

(TQmax).

CHƯƠNG 3. ĐẶC ĐIỂM LŨ QUÉT VÀ CÁC NHÂN TỐ HÌNH

THÀNH LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, BẮC KẠN

3.1. Vị trí địa lý và đặc điểm kinh tế - xã hội lưu vực sông

Năng, Bắc Kạn

3.1.1. Vị trí địa lý

Vùng nghiên cứu là lưu vực sông Năng, có diện tích khoảng

2.258 km2, nằm ở toạ độ địa lý 22o12.7’ đến 21o48.2’ vĩ độ Bắc và

105o28.4’ đến 105o59.1’ kinh độ Đông, nằm ở phía bắc tỉnh Bắc Kạn.

3.1.2. Kinh tế - xã hội

Vùng nghiên cứu thuộc 42 xã, 8 huyện và 3 tỉnh, trong đó 37 xã

và 4 huyện thuộc Bắc Kạn; dân số năm 2013 gần 120 nghìn người vơi

gần 95% là dân tộc thiểu số vơi nhiều dân tộc, chủ yếu là Kinh, Tày,

Dao, Hmông, Nùng, Hoa sinh sống; Là kinh tế miền núi, thuộc diện

nghèo trong tỉnh Bắc Kạn và cả nươc vơi tỷ lệ hộ nghèo gần 60%, chủ

yếu là kinh tế nông nghiệp, rừng và chăn nuôi gia súc.

3.2. Hiện trạng lũ quét lưu vực sông Năng, Bắc Kạn

Hơn 10 năm gần đây (2000-2011), ở mức độ và phạm vi khác

nhau, gần như năm nào cũng có xảy ra lũ quét gây thiệt hại lơn về

người và tài sản. Theo thống kê chưa đầy đủ, trong thời gian này đã có

38 người chết hoặc mất tích, thiệt hại hơn 39 tỷ đồng. Thậm chí trong

một số năm đã có tơi 2 trận lũ quét lơn (2006 và 2008). Lũ quét xảy ra

từ tháng 5 đến hết tháng 9, cao điểm là tháng 7 và trùng vơi các tháng

mùa mưa. Lũ quét chủ yếu xảy ra tại 3 huyện Pắc Nậm (chiếm 54% số

trận), Ba Bể (33%) và Bảo Lâm và Bảo Lạc, Cao Bằng (13%).

3.3. Đặc điểm điều kiện tự nhiên vùng nghiên cứu và mối liên

hệ chi phối của nó tới lũ quét

3.3.1. Địa hình

Vùng nghiên cứu là lưu vực nhỏ, đồi núi cao, có địa hình chia cắt

mạnh bởi nhiều dãy núi theo các hương khác nhau và xung quanh

được bao boc bởi 3 dãy núi cao ( vơi độ cao phổ biến từ 1.000-

1.400m). Độ cao trung bình toàn bộ lưu vực khoảng 600m (nhỏ nhất

80m - khu vực cửa ra và lơn nhất 1.980m – khu vực thượng nguồn),

phổ biến ở độ cao từ 300 đến 800m.

3.3.2. Độ dốc

Lưu vực có độ dốc lơn. Độ dốc của pixel trung bình toàn lưu vực

rất lơn, khoảng 18.8o (nhỏ nhất 0o và lơn nhất là 65o), tập trung chủ

yếu từ 10-27o. Độ dốc trung bình phụ lưu phổ biến ở mức 17-22o

(chiếm 78.5% diện tích vùng nghiên cứu), 20-30o (37%), >30o (0%).

Theo kết quả phân tích, độ dốc trung bình của các phụ lưu đã từng xảy

ra lũ quét từ năm 2000 đến 2011 đều tương đối cao (từ 17.1o đến

22.3o, trung bình là 20o). Điều này thể hiện nguy cơ lũ quét của lưu

vực sông Năng là cao.

3.3.3. Địa mạo

Lưu vực sông Năng có đặc điểm chung vơi địa mạo Bắc Kạn,

khá đa dạng về nguồn gốc cũng như hình thái, bao gồm: nhóm dạng

địa hình kiến tạo, kiến trúc bóc mòn và nhóm dạng địa hình bóc mòn.

3.3.4. Khí hậu

Cũng như đặc điểm của khí hậu Bắc Kạn nói chung, lưu vực sông

Năng nằm trong khu vực nhiệt đơi gió mùa, chia thành 2 mùa trong

năm. Vì lưu vực khép kín và nhỏ nên có khí hậu tương đối đồng đều.

Nhiệt độ trung bình năm từ 21oC đến 28oC. Độ ẩm không khí trung

bình tháng thường xuyên đạt 80-86%.

3.3.5. Mưa

Mưa được xem là nhân tố quan trong nhất gây ra lũ quét đặc biệt

là vơi lũ quét sườn dốc mà luận án nghiên cứu. Ảnh hưởng của bão và

áp thấp nhiệt đơi và hoạt động mạnh của các rãnh áp thấp hội tụ

thường gây ra mưa lơn trên diện rộng và lũ lụt cho lưu vực.

Theo dữ liệu mưa thời đoạn, ngày và mưa trận cực đại năm của

42 năm (từ 1969 đến 2010), tất cả đều có xu hương tăng lên rất rõ rệt,

có 3 đến 5 lần đột biến (khoảng 10 năm một lần) và mưa ở các thời

đoạn cũng rất đồng điệu vơi nhau và vơi mưa trận. Cả 4 trận mưa gây

ra lũ quét toàn lưu vực trong quá khứ đều có cường độ mưa thời đoạn

rất cao. Theo số liệu mưa giờ 3 ngày cực đại năm của 48 năm (1965-

2012) thì phần lơn (83%) mưa trận cực đại năm có lượng mưa trên

100mm, 31% – trên 150mm, 13% – trên 200mm và 4% – trên 250mm

và xu thế đang tăng lên. Theo kết quả phân tích thống kê, rất có thể sẽ

xuất hiện những trận mưa lên đến 400mm. Do vậy, nguy cơ lũ quét

của khu vực nghiên cứu là rất cao và ngày càng gia tăng.

Đặc điểm các trận mưa đã gây ra lũ quét cho lưu vực sông Năng:

Tổng lượng mưa có khoảng tương đối rộng, từ 73,4 đến 243,6mm và

chủ yếu từ 100mm trở lên; Hầu hết tổng lượng mưa 5 ngày trươc đều

lơn, từ 30m trở lên, phổ biến từ 40-60mm, cá biệt trận mưa ngày

12/8/2008 là 164,2mm.

3.3.6. Thủy văn

+ Hệ thống sông suối:

Sông Năng là sông chính, lơn nhất thuộc phía bờ trái sông Gâm,

có chiều dài 113km, bắt nguồn từ vùng núi Pia-ya cao khoảng 1.200m

(huyện Bảo Lâm, Cao Bằng), chảy qua các huyện Pắc Nậm và Ba Bể

và nhập vào sông Gâm tại Khun Phen (huyện Nà Hang, Tuyên

Quang). Độ dốc đáy của sông Năng trung bình là 0,36o.

Ngoài ra còn có các sông khác là sông Công Bằng, Nghiên Loan,

Chợ Lừng, Ti Hông, Chu Hương và Hà Hiệu. Các sông này đều hợp

lưu và đổ nươc vào sông Năng phía dươi hạ lưu của lưu vực.

Lưu vực có mật độ sông suối dày, có lòng và phần bãi đều nhỏ,

hẹp, có độ dốc cao. Do vậy rất bất lợi đối vơi lũ quét.

Theo số liệu lũ quét trong 12 năm, từ 2000 đến 2011 [10-21],

ngoài 3 trận lũ quét xảy ra toàn bộ lưu vực do mưa rất lơn trên diện

rộng thì phần lơn các trận lũ quét do mưa cục bộ đã nghi nhận được

đều xảy ra ở khu vực suối cấp 1, 2 và khu vực thượng nguồn các sông.

+ Lưu lượng tại trạm Đầu Đẳng:

Trạm thủy văn Đầu Đẳng thuộc cấp I, đặt ở cuối lưu vực, dừng

hoạt động sau năm 1976. Mặt cắt ngang lòng chảy có hình chữ U vơi

diện tích khoảng 200m2, có độ sâu gần 5m và độ rộng đáy khoảng

15m, khoảng cách 2 bờ sông rộng 45m. Lưu lượng bình quân năm là

48,2m3/s, trung bình 7 tháng mùa mưa 5 năm (1972-1976) là 66,5m3/s.

Gần đây, theo Đài KTTV Bắc Kạn, hằng năm, tại Đầu Đẳng, lũ tràn

qua bãi 1-2 lần (năm 2014, 2015 đều có lũ tràn qua bãi vơi biên độ lũ

từ 3,5 đến 4m, năm 2006, đỉnh lũ lên đến 7-8m), vận tốc lũ lơn có thể

đạt gần 5m/s, lưu lượng trận lũ 2006 ươc đạt gần 3.000m3/s. Theo kết

quả mô phỏng của luận án, trận lũ năm 2006 thì lưu lượng tại Đầu

Đẳng đạt 3.180 m3/s và vận tốc dòng chảy khoảng 4.5m/s.

+ Hình dạng phụ lưu:

Hình dạng phụ lưu có vai trò trong việc hình thành lũ quét [79].

Lưu vực có khoảng 24% phụ lưu có hình dạng thuộc nguy cơ lũ quét

cao, 47% - nguy cơ trung bình. Trong tất cả 16 trận lũ quét trong quá

khứ do mưa rào cục bộ đều xảy ra trên các phụ lưu có nguy cơ lũ quét

cao.

+ Diện tích phụ lưu:

Diện tích phụ lưu cũng đóng vai trò quan trong trong việc hình

thành lũ quét [79]. Theo kết quả phân tích các trận lũ quá khứ, nhìn

chung lũ quét xảy ra ở các phụ lưu có diện tích dươi 50km2, chủ yếu

khoảng 18-32km2, trong đó, có tơi 5/16 phụ lưu dươi 20km2, chỉ có

3/16 phụ lưu có diện tích lơn hơn 100km2.

3.3.7. Đặc điểm đất

Khu vực nghiên cứu gồm 31 loại đất khác nhau thuộc 5 nhóm

chính: I - Đất phù sa, II - Đất đen, III - Đất đỏ vàng, IV - Đất mùn

vàng đỏ trên núi và V - Đất thung lũng. Phân loại theo đặc trưng thủy

văn của NRCS [81] thì khu vực nghiên cứu có đất chủ yếu thuộc loại

C – khả năng ngấm nươc trung bình (85.4%), tiếp theo là loại B – khả

năng ngấm nươc tốt (9.9%), rồi đến loại A – khả năng ngấm nươc rất

tốt (4.6%) và ít nhất là loại D – khả năng ngấm nươc rất kém (3.3%).

Lũ quét quá khứ chủ yếu xảy ra ở những lưu vực có đất loại C chiếm

ưu thế.

3.3.8. Đặc điểm lớp phủ và sử dụng đất

Khu vực nghiên cứu chủ yếu là đất rừng (71.6%), tiếp theo là đất

trống và cây bụi (19.8%), đất nông nghiệp (6.8%), đất dân cư chỉ

chiếm 1.2%. Đất rừng: phần lơn là rừng tự nhiên và chủ yếu là rừng lá

rộng thường xanh, chiếm 52,5%, rừng phòng hộ chiếm 41,2%, rừng

sản xuất – 50,3% và rừng đặc dụng – 8.5%. Cơ cấu rừng phòng hộ

thấp và sản xuất cao cũng là nhân tố dễ xảy ra lũ quét đặc biệt trong

và sau thời gian khai thác rừng. Đất nông nghiệp chủ yếu là nương rây

thường xem lân vơi đất lâm nghiệp và theo mùa vụ, phân bố doc theo

các triền sông suối. Đất dân cư rất phân mảnh và cũng thường xem lân

vơi đất rừng. Đất trống, nói chung, được hình thành trên cơ sở do quá

trình du canh của bà con người dân tộc thiểu số để lại và khai thác

khoáng sản. Lũ quét quá khứ chủ yếu xảy ra ở những phụ lưu có diện

tích đất rừng trung bình chiếm 56.3%, đất trống 35.0%, nông nghiệp

7.3%. Đặc biệt, có tơi 6/16 phụ lưu có đất trống chiếm phần lơn (trung

bình 63.3%).

Tuy tỷ lệ rừng lơn nhưng giá trị NDVI chỉ ra rằng mật độ che phủ

của rừng trong lưu vực sông Năng là không cao, trung bình NDVI của

toàn bộ rừng chỉ là 0.46, chỉ nhích hơn chút ít so vơi trung bình của

toàn bộ lơp phủ (0.41). Do vậy, lũ quét quá khứ đã xảy ra ở cả những

phụ lưu có tỷ lệ rừng cao (7/16 phụ lưu).

Tiểu kết chương 3

Vùng nghiên cứu là lưu vực nhỏ, đồi núi cao, có địa hình chia cắt

mạnh bởi nhiều dãy núi theo các hương khác nhau, có độ dốc trung

bình lưu vực, phụ lưu và lòng sông suối đều cao, có tỷ lệ đất rừng cao

nhưng mật độ rừng lại thấp, có tỷ lệ hình dạng phụ lưu bất lợi sinh ra

lũ quét cao, có xu hương cường độ mưa thời đoạn, ngày và trận đang

tăng lên.

Lũ quét có quan hệ chặt chẽ vơi mưa lơn (tổng lượng mưa trận

lơn, cường độ mưa lơn và cả tổng lượng mưa 5 ngày trươc cũng lơn),

hình dạng phụ lưu bất lợi, diện tích phụ lưu nhỏ, đất vàng nâu kém

thấm nươc và đất trống.

CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN, XÁC ĐỊNH NGUY CƠ LŨ QUÉT

LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠN

4.1. Tính toán Qmax và Tmax

Tính toán Qmax và Tmax được thực hiện bởi phần mềm thủy văn

GIS lũ quét được xây dựng ở Chương 2.

4.1.1. Xây dựng dữ liệu đầu vào

Một số dữ liệu được chia thành 2 thời kỳ (1972-1976 và 2007-

2012) như là lơp phủ, NDVI, CN và Manning. Thời kỳ 1972-1976: có

dữ liệu đo đạc lưu lượng tại trạm thủy văn Đầu Đẳng để hiệu chỉnh và

kiểm chứng mô hình thủy văn GIS (trạm Đầu Đẳng dừng hoạt động

sau 1976). Thời kỳ 2007-2012: được coi như đại diện cho hiện tại để

mô phỏng nguy cơ lũ quét của khu vực nghiên cứu.

Dữ liệu đầu vào gồm các file riêng biệt: quá trình mưa trận (TXT

file) và hệ số Manning, hệ số CN, pixel thuộc sông/suối, pixel không

thuộc sông/suối, độ dốc, hương dòng chảy và dòng chảy tích lũy

(RASTER file).

4.1.2. Hiệu chỉnh mô hình phân tích thủy văn GIS lũ quét

Mô hình, bộ tham số CN và Manning được hiệu chỉnh dựa vào

dữ liệu đo đạc lưu lượng tại trạm Đầu Đẳng. Kết quả mô phỏng và

thực đo là tương đối khơp về tổng lưu lượng, đỉnh lũ và pha lũ.

4.1.3. Tính toán Qmax và TQmax cho 4 trận lũ quét trong quá khứ

Dữ liệu gồm 4 trận mưa các ngày 23/7/1986, 17/7/2006,

12/8/2008 và 04/7/2009 đã gây lũ quét cho toàn bộ vùng nghiên cứu.

Bảng 4-1. Đặc điểm mưa và lũ quét của 4 trận lũ quét trong quá khứ

của khu vực nghiên cứu (tại cửa ra của lưu vực)

Mưa Tổng

lượng

(mm)

Thời

gian

(giờ)

Tổng

lượng

mưa 5

ngày

trước

(mm)

Lượng

mưa

giờ

cực

đại

(mm)

Mưa

giờ cực

đại

(giờ)

Qmax

(m3/s)

Thời gian

xảy ra

Qmax

sau mưa

giờ max

(giờ)

23/7/1986 243,6 40 63,7 43,8 16 3.087 13,9

17/7/2006 213,1 27 63,4 50,9 7 3.180 14,3

12/8/2008 78,5 10 164,2 22,8 6.5 869 13,1

04/7/2009 164,2 75 89,3 49,2 25 1.545 16,4

4.1.4. Tính toán Qmax và TQmax cho 9 trận mưa tần suất

Dữ liệu gồm 9 trận mưa tần suất (100, 50, 20, 10, 5, 2, 1, 0.2 và

0.1% ).

Bảng 4-2. Đặc điểm sóng lũ của khu vực nghiên cứu theo kịch bản

mưa tần suất (tại cửa ra lưu vực)

Mưa

theo

kịch

bản

tấn

suất

(%)

Tổng

lượng

(mm)

Thời

gian

(giờ)

Loại

BH

Lượng

mưa

giờ

cực

đại

(mm)

Mưa

giờ

cực

đại

(giờ)

Qmax

(m3/s)

Thời

gian xảy

ra Qmax

sau mưa

giờ max

(giờ)

100 70,4 40 III 12,7 16 354 27.8

50 129,2 40 III 23,2 16 1.098 19.7

20 172,8 40 III 31,1 16 1.795 16.4

10 202,3 40 III 36.4 16 2.311 15.2

5 231,1 40 III 41,6 16 2.847 14.3

2 269,2 40 III 48,4 16 3.601 12.6

1 298,3 40 III 53,6 16 4.205 12.0

0.2 367,6 40 III 66,1 16 5.751 10.8

0.1 398,2 40 III 71,6 16 6.466 10.5

4.2. Xác định vùng đất thấp dễ ngập lụt (floodplain)

Floodplain được chiết xuất từ dữ liệu DEM 20m x 20m.. Tổng

diện tích floodplain là 100,9km2, chiếm gần 4,5% diện tích toàn lưu

vực. Trong đó, diện tích lơn nhất thuộc huyện Ba Bể vơi 50,5km2

(chiếm 50,1% diện tích), đến huyện Pắc Nậm – 20,8km2 (20,6%) và

Chợ Đồn – 14,2km2 (14,1%), 4 huyện còn lại đều có diện tích khá nhỏ

- 15,5km2 (15,2%).

4.3. Tính toán Qmax và TQmax cho vùng floodplain

Nội suy Qmax và TQmax tại từng điểm của stream network ra toàn

vùng floodplain. Phương pháp nội suy phổ biến, đơn giản và hiệu quả

là IDW (trong số nghịch đảo theo khoảng cách) đã được áp dụng.

Kết quả thu được 18 lơp dữ liệu GIS (raster file) về Qmax và TQmax

theo floodplain của lưu vực tương ứng vơi 9 trận mưa kịch bản tần

suất.

4.4. Tính toán chỉ số nguy cơ lũ quét (FFPI)

FFPI của vùng nghiên cứu được xác định dựa theo phương pháp

mô tả ở mục 2.6.3 vơi số liệu đầu vào là 9 lơp Qmax và 9 lơp TQmax sau

khi đã được nội suy ra toàn vùng floodplain. Kết quả thu được 9 lơp

dữ liệu FFPI tương ứng vơi 9 kịch bản mưa tần suất. Ngoài ra, đã

trung bình hóa 9 lơp FFPI kịch bản mưa tần suất để xây dựng lơp

FFPI tổng hợp.

4.5. Kiểm chứng mô hình

So sánh giữa kết quả mô phỏng của luận án vơi lũ quét thực tế là

khá tốt, phản ánh được những nơi có FFPI cao tương ứng vơi lũ quét

quá khứ do mưa cục bộ đã xảy ra. So sánh vơi kết quả của 3 nghiên

cứu khác, về cơ bản là tương đồng về phân bố và mức nguy cơ lũ

quét. Tuy nhiên, kết quả của luận án có độ tương đồng vơi lũ quét quá

khứ tốt hơn, chi tiết hơn và cũng có phân bố hợp lý hơn.

4.6. Xác định nguy cơ lũ quét

4.6.1. Xây dựng bản đồ nguy cơ lũ quét

Phân loại nguy cơ lũ quét thành 5 mức (rất nhỏ, nhỏ, trung bình,

lơn và rất lơn) từ dữ liệu FFPI (thu được ở mục 4.4) theo bảng tổng

hợp và phân loại chỉ số nguy cơ lũ quét Bảng 2-1.

Đã xây dựng 10 bản đồ nguy cơ lũ quét của vùng nghiên cứu,

gồm 01 bản đồ tổng hợp (Hình 4-3) và 09 bản đồ mưa tần suất.

4.6.2. Tính diện tích nguy cơ lũ quét theo huyện

Đã chồng xếp 10 lơp dữ liệu FFPI (thu được ở mục 4.4) vơi lơp

dữ liệu ranh giơi huyện và thu được diện tích có nguy cơ bị lũ quét

theo huyện của lưu vực.

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

Pắc Nậm Nà Hang Ngân Sơn Chợ Đồn Ba Bể Bảo Lâm Bảo Lạc

Diệ

n t

ích

(km

2)

Rất nhỏ Nhỏ Trung bình Lơn Rất lơn

Hình 4-1. Biểu đồ nguy cơ lũ quét theo huyện, lưu vực sông Năng,

Bắc Kạn

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10

0

50

20

10

5 2 1 0.2

0.1

Diệ

n t

ích

(km

2)

Tần suất xuất hiện năm (%)

Rất nhỏ NhỏTrung bình LơnRất lơn

Hình 4-2. Biểu đồ nguy cơ lũ quét theo tần suất, lưu vực sông Năng,

Bắc Kạn

Hình 4-3. Bản đồ nguy cơ lũ quét (tổng hợp) lưu vực sông Năng, Bắc

Kạn

Tiểu kết chương 4

Đã sử dụng Mô hình lũ quét để mô phỏng, tính toán nguy cơ lũ

quét cho lưu vực sông Năng, Bắc Kạn. Mô hình được chạy trên nền

của phần mềm ArcGIS 9.3 vơi mô hình dữ liệu là raster, kích thươc

pixel là 100m x 100m.

Kết quả mô phỏng đã được kiểm chứng vơi lũ quét thực tế và vơi

kết quả mô phỏng của các công trình nghiên cứu khác cùng khu vực.

Kết quả so sánh về phân bố và mức nguy cơ lũ quét là khá tốt. Kết quả

mô phỏng của luận án thể hiện sự tương đồng vơi lũ quét thực tế tốt

hơn, chi tiết hơn và hợp lý hơn.

Các biểu đồ quá trình lưu lượng được mô phỏng tại nhiều điểm

trong lưu vực đều có đỉnh lũ rất cao, nhon và dốc. Chứng tỏ toàn bộ

lưu vực, ở mức độ khác nhau, lũ đều là lũ quét. Lưu vực chủ yếu xảy

ra lũ quét ở mức “Nhỏ”, “Trung bình” và “Lơn”; trong đó, mức

“Trung bình” là lơn nhất (39.4%); theo thứ tự, huyện Ba Bể, Pắc Nậm

và Chợ Đồn có diện tích nguy cơ lũ quét lơn nhất.

Nguy cơ lũ quét (tính cực đoan) tăng rất nhanh theo mức tăng của

tổng lượng mưa trận tần suất. Mưa tần suất 5% (231.1mm) có thể xảy

ra lũ quét tương ứng vơi lũ lịch sử 1986 và 2006. Mưa tần suất 0.2%

(367.6mm) và 0.1% (398.2mm) có thể gây ra lũ vơi Qmax lơn gấp 1,5

và 2,0 lần so vơi trận lũ quét lịch sử năm 1986 và 2006.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận

Tổng quan về vấn đề nghiên cứu:

1. Ở nươc ta và khu vực nghiên cứu chủ yếu là lũ quét sườn dốc.

2. Trên thế giơi, chủ yếu áp dụng phương pháp thủy văn/thủy lực

và tập trung nhiều cho cảnh báo sơm và thời gian thực nguy cơ lũ

quét. Trong nươc, phương pháp phân tích và chống xếp nhân tố là phổ

biến nhất vì đơn giản, chưa có một mô hình định lượng lũ quét tích

hợp GIS, viễn thám và thủy văn cho phép mô phỏng được tính chất

động tự nhiên của lũ quét và áp dụng được cho vùng núi cao, thượng

nguồn, nơi thiếu nhiều số liệu chi tiết và có địa hình phức tạp mà các

mô hình thủy văn/thủy lực truyền thống khó có khả năng áp dụng.

Mô hình xác định nguy cơ lũ quét:

3. Luận án đã xây dựng mô hình xác định nguy cơ lũ quét áp

dụng cho lưu vực nhỏ, vùng núi cao, địa hình phức tạp, ít thông tin/số

liệu hỗ trợ. Vơi những phần mềm GIS có tính năng phân tích không

gian đều có thể áp dụng mô hình ý tưởng này. Đã áp dụng mô hình mô

phỏng thành công nguy cơ lũ quét cho lưu vực sông Năng, Bắc Kạn.

Về cơ sở lý thuyết, thực tế áp dụng và kiểm chứng cho thấy Mô hình

cho kết quả chi tiết hơn, hợp lý hơn và tin cậy hơn so vơi phương pháp

phân tích đa biến..

4. Mô hình đã tích hợp: phương pháp Đường đẳng thời để tính

toán và xây dựng đường quá trình lưu lượng; phương pháp SCS – CN

để tính mưa hiệu quả; chi tiết hóa để nâng cao chất lượng dữ liệu lơp

phủ bằng dữ liệu NDVI từ ảnh vệ tinh Landsat; và xác định vùng đất

thập dễ ngập lụt từ DEM. Tất cả các phương pháp này đều hoàn toàn

giải được bằng công cụ GIS và viễn thám. Ngưỡng lưu lượng gây lũ

Qbankfull và các tham số thủy văn khác để xác định nguy cơ lũ quét tại

tất cả các pixel đều có thể được xác định hoàn toàn thông qua mô

phỏng mà không cần hoặc rất ít đến số liệu đo đạc.

Nguy cơ lũ quét lưu vực sông Năng, Bắc Kạn:

5. Lưu vực sông Năng, Bắc Kạn có diện tích nhỏ và có nhiều

điều kiện bất lợi gây ra lũ quét: vùng đồi núi và bị chia cắt mạnh; độ

dốc lưu vực và phụ lưu lơn; nhiều phụ lưu có hình dạng bất lợi; lượng

mưa trận, mưa ngày và mưa thời đoạn cao; mật độ che phủ rừng thấp,

đất trống cao; và đất đỏ vàng, vàng nâu, … (thấm nươc mưa ở mức

trung bình) chiếm tỷ trong cao. Trong hơn 10 năm gần đây, hầu như

năm nào cũng xảy ra lũ quét và lũ quét đã xảy ra có liên hệ rõ ràng vơi

các yếu tố: mưa cường độ lơn, tỷ lệ che phủ thấp (đất trống nhiều), độ

dốc phụ lưu lơn, hình dạng phụ lưu cân đối.

7. Khắp lưu vực, các đường quá trình lưu lượng đều có hình dạng

của lũ quét (đỉnh lũ rất cao, nhon và thời gian xảy ra đỉnh lũ rất nhanh,

có thể chỉ từ 1h (tại thượng nguồn) đến 10.5h (tại cửa lưu vực) sau

đỉnh mưa). Tính cực đoan của lũ quét tăng rất nhanh so vơi mức tăng

của cường độ mưa.

8. Các trận mưa có tần suất 50-20% (129.2-172.8mm) - nhiều nơi

xuất hiện nguy cơ lũ quét ở mức độ nhỏ; Tần suất 10-5% (202.3-

231.1mm) - lũ quét ở mức độ trung bình xuất hiện ở hầu hết các suối

cấp 1, cấp 2 và đầu nguồn một số sông; Tần suất 2-1% (269.2-

298.3mm) - lũ quét ở mức độ lơn xuất hiện hầu hết các huyện thuộc

lưu vực; Tần suất 0.2-0.1% (367.6-398.2mm) - lũ quét rất lơn xuất

hiện ở một số xã thuộc huyện Chợ Đồn, Pắc Nậm, Ba bể và Bảo Lạc.

Mưa tần suất 5% (231.1mm) có thể xảy ra lũ quét tương ứng vơi lũ

lịch sử 1986 và 2006. Mưa tần suất 0.2% (367.6mm) và 0.1%

(398.2mm) có thể gây ra lũ lơn gấp 1,5 và 2,0 lần so vơi trận lũ quét

lịch sử năm 1986 và 2006.

9. Sắp xếp theo diện tích có nguy cơ bị lũ quét thì các huyện có

nguy cơ cao là Ba Bể, Pắc Nậm, Chợ Đồn, Ngân Sơn (Bắc Kạn), Nà

Hang (Tuyên Quang), Bảo Lạc, Bảo Lâm (Cao Bằng). Pắc Nậm là

huyện có lũ quét đã xảy ra nhiều nhất và cũng là huyện có số xã chịu

nguy cơ lũ quét cao nhất. Các xã Quảng Bạch và Xuân Lạc (huyện

Chợ Đồn), Giáo Hiệu và Cổ Linh (huyện Pắc Nậm), Đồng Phúc

(huyện Ba bể) và Sơn Lộ (huyện Bảo Lạc, Cao Bằng) là những xã có

nguy cơ lũ quét cao nhất.

Hạn chế của nghiên cứu:

1. Mô hình của luận án đưa ra chủ yếu mô phỏng được lũ quét

sườn dốc, một phần lũ quét nghẽn dòng tự nhiên và không bao gồm

hoặc bao gồm rất ít các loại lũ quét khác như: lũ quét do vỡ đập tự

nhiên hoặc nhân tạo, lũ quét do sạt lở đất đá.

3. Ranh giơi vùng ngập lụt được xác định cứng thông qua vùng

đất thấp dễ ngập lụt (floodplain) mà không thể hiện được tính chất di

động theo cường độ lũ.

Kiến nghị

Kiến nghị về cải thiện độ tin cậy của mô hình thủy văn GIS lũ

quét:

1. Cần tính toán và đưa thêm độ sâu ngập lụt để tính toán và xây

dựng bản đồ nguy cơ lũ quét. Những nơi ngập sâu hơn có cường độ và

nguy cơ lũ quét cao hơn những nơi ngập nông hơn và khi đó ranh giơi

vùng ngập lụt có thể được thể hiện biến động theo cường độ lũ.

Kiến nghị về cải thiện độ tin cậy của kết quả mô phỏng lũ quét

lưu vực sông Năng, Bắc Kạn:

1. Chi tiết hóa phân bố mưa theo không gian bằng cách đặt nhiều

trạm mưa trên lưu vực (đặc biệt những nơi có nguy cơ lũ quét cao) và

sử dụng ảnh mưa RADAR nếu có.

2. Chi tiết hóa hơn phân loại lơp phủ/sử dụng đất sẽ tính chính

xác hơn lượng mưa hiệu quả.

3. Nên có thêm số liệu đo đạc lưu lượng bên trong lưu vực để

hiệu chỉnh mô hình tốt hơn.

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ

LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

A. Các đề tài nghiên cứu:

1. Chủ trì đề tài cơ sở (2014), Áp dụng công nghệ GIS xác định

nguy cơ lũ quét lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn. Viện Cơ hoc, 49 Tr.

B. Các bài báo:

1. Nguyễn Ngoc Thạch, Phạm Xuân Cảnh, Lê Như Ngà, Nguyễn

Đình Tài, Vũ Đăng Cường (2012), “Xây dựng phần mềm ra quyết

định phục vụ cảnh báo sơm tai biến lũ quét và trượt lở đất ở vùng núi,

thử nghiệm tại Bắc Kạn”, Tạp chí khoa học Đại Học Quốc Gia, Khoa

học tự nhiên và công nghệ 28, Số 5S (2012), Tr. 104-112.

2. Lê Như Ngà, Nguyễn Ngoc Thạch, Lã Thanh Hà (2015), “Ứng

dụng GIS và Viễn thám mô phỏng biến trình lưu lượng dòng chảy

mưa cơn lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn”. Tạp chí Khí tượng Thủy

văn, 4/2015, Tr. 4-10.

3. Lê Như Ngà, Nguyễn Ngoc Thạch, Lã Thanh Hà (2015), “Tích

hợp GIS và viễn thám xác định nguy cơ lũ quét lưu vực sông Năng,

tỉnh Bắc Kạn”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 5/2015, Tr. 19-26.