DSpace at VNU: Ứng dụng mô hình thủy văn đô thị xây dựng bản đồ ngập lụt thành phố Hà Nội và hệ thống cảnh báo ngập lụt thời gian thực cho lưu vực Kim Ngưu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

ĐINH THỊ HƢƠNG THƠM

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN ĐÔ THỊ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ
NGẬP LỤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI VÀ HỆ THỐNG DỰ BÁO NGẬP
LỤT THỜI GIAN THỰC CHO LƢU VỰC KIM NGƢU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

ĐINH THỊ HƢƠNG THƠM

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN ĐÔ THỊ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ
NGẬP LỤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI VÀ HỆ THỐNG DỰ BÁO NGẬP
LỤT THỜI GIAN THỰC CHO LƢU VỰC KIM NGƢU

Chuyên ngành: Thủy văn học
Mã số: 60440224

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. NGUYỄN QUANG HƯNG

Hà Nội – 2016


LỜI CẢM ƠN
Với tấm lòng chân thành nhất, em xin chân thành cảm ơn tới:
 Tiến sỹ Nguyễn Quang Hưng, thầy hướng dẫn khoa học cho luận văn của em,
những điều đạt được trong luận văn này là những kiến thức quý báu mà thầy đã tận
tình chỉ dẫn em trong thời gian qua.
 Quý thầy cô trong trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà
Nội, đặc biệt là quý thầy cô trong Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, quý
thầy cô trong Phòng Đào tạo sau Đại học đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ em
hoàn thành chương trình Cao học và luận văn tốt nghiệp.
 Gia đình, bạn bè đã giúp đỡ, ủng hộ hết sức sâu sắc trong thời gian qua. Đặc
biệt cảm ơn gia đình, những người luôn bên cạnh động viên để em vững tâm và
phấn đấu học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
 Lãnh đạo, đồng nghiệp tại Đài Khí tượng thủy văn khu vực Đồng bằng Bắc
Bộ đã tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt
nghiệp.
Trong quá trình làm luận văn do giới hạn về thời gian cũng như hạn chế về số
liệu thực đo nên không tránh được những thiếu sót. Vì vậy, tác giả rất mong được
những ý kiến đóng góp quý báu của các Thầy cô và những người quan tâm.
TÁC GIẢ


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN.....................................................................................5
1.1. Tổng quan về khu vực nghiên cứu ................................................................5

1.1.1. Điều kiện tự nhiên ......................................................................................5
1.1.2. Đặc điểm địa hình ......................................................................................6
1.1.3. Đặc điểm địa chất ......................................................................................6
1.1.4. Đặc điểm khí hậu .......................................................................................7
1.1.5. Mạng lưới sông ngòi, hồ điều hòa ...........................................................10
1.2. Tình hình ngập úng ......................................................................................14
1.3. Các số liệu thu thập ......................................................................................20
1.4. Các nghiên cứu trƣớc đây sử dụng mô hình mô phỏng ngập lụt đô thị ..24
1.4.1. Trên Thế giới ...........................................................................................24
1.4.2. Trong nước...............................................................................................30
CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT MÔ HÌNH ................................................................36
2.1. Lý thuyết mô hình ........................................................................................36
2.1.1. Mô hình MIKE URBAN ...........................................................................36
2.2.2. Mô hình MIKE OPERATIONS ................................................................39
2.2. Các bƣớc thực hiện mô hình........................................................................41
CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN ĐÔ THỊ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ
NGẬP LỤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI VÀ HỆ THỐNG DỰ BÁO NGẬP LỤT
THỜI GIAN THỰC CHO LƢU VỰC KIM NGƢU ...................................................43
3.1. Thiết lập mô hình cho hệ thống thoát nƣớc Hà Nội ..................................44
3.1.1. Xây dựng mô hình toán ............................................................................44
3.1.2. Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình ................................................................49


3.2. Xây dựng bản đồ ngập lụt 8 quận nội thành Hà Nội ..................................57
3.3. Xây dựng hệ thống dự báo ngập lụt thời gian thực cho lƣu vực Kim
Ngƣu ......................................................................................................................62
3.3.1. Thiết lập mô hình mô phỏng ngập lụt lưu vực sông Kim Ngưu ...............62
3.3.2. Lắp đặt 5 trạm đo mực nước tự động ......................................................64
3.3.3. Xây dựng công nghệ và thiết lập hệ thống dự báo úng ngập thời gian
thực cho lưu vực Kim Ngưu ...............................................................................65

3.3.4. Vận hành hệ thống ...................................................................................67
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................77
PHỤ LỤC .................................................................................................................79


DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Vị trí khu vực Hà Nội .....................................................................................5
Hình 2: Hình minh họa hồ trong khu vực nghiên cứu ..............................................13
Hình 3: Một số hình ảnh trận mưa năm 2001 tại Hà Nội .........................................15
Hình 4: Một số hình ảnh trận mưa năm 2003 tại Hà Nội .........................................16
Hình 5: Một số hình ảnh trận mưa năm 2008 tại Hà Nội .........................................17
Hình 6: Một số hình ảnh trận mưa năm 2012 tại Hà Nội .........................................18
Hình 7: Một số hình ảnh trận mưa năm 2013 tại Hà Nội .........................................19
Hình 8: Các trạm đo mưa thuộc khu vực nghiên cứu ...............................................21
Hình 9: Sơ đồ hệ thống thủy lực ...............................................................................23
Hình 10: Quy hoạch thoát nước khu vực nội thành Hà Nội (JICA, 1995) ...............31
Hình 11: Sơ đồ tính toán mưa – dòng chảy ..............................................................36
Hình 12: Sơ đồ tính toán dòng chảy trong hệ thống thoát nước 1 chiều ..................37
Hình 13: Sơ đồ kết hợp mô hình 1 chiều và 2 chiều .................................................38
Hình 14: Sử dụng GIS xử lý số liệu địa hình ............................................................39
Hình 15: Giao diện quản lý của DIM .......................................................................40
Hình 16: Sơ đồ khối các bước thực hiện trong mô hình MIKE URBAN ..................41
Hình 17: Sơ đồ khối các bước thực hiện trong mô hình MIKE OPERATIONS .......42
Hình 18: Khu vực nghiên cứu hệ thống thoát nước Hà Nội .....................................43
Hình 19: Hình ảnh Nodes trong MIKE URBAN .......................................................44
Hình 20: Hình ảnh nhập Links trong MIKE URBAN ...............................................45
Hình 21: Trắc dọc tuyến cống ...................................................................................45
Hình 22: Hình ảnh nhập số liệu lưu vực trong MIKE URBAN ................................46

Hình 23: Sơ đồ tính toán mạng lưới trong MIKE URBAN .......................................47
Hình 24: Thông số trận mưa năm 2012 làm đầu vào cho mô hình ..........................48
Hình 25: Độ sâu ngập lớn nhất trận mưa ngày 17-18/8/2012 .................................50


Hình 26: Trắc dọc tuyến đường Phạm Ngọc Thạch khi xảy ra mưa ngày 1718/8/2012 ...................................................................................................................51
Hình 27: So sánh kết quả thực đo và tính toán tại một số vị trí trên hệ thống trận lũ
năm 2012 ...................................................................................................................51
Hình 28: Trắc dọc tuyến đường Phạm Ngọc Thạch khi xảy ra trận mưa ngày 89/8/2013 .....................................................................................................................53
Hình 29: Độ sâu ngập lớn nhất trận mưa ngày 8-9/8/2013 .....................................54
Hình 30: So sánh kết quả thực đo và tính toán tại một số vị trí trên hệ thống trận lũ
tháng 8 năm 2013 ......................................................................................................56
Hình 31: Bản đồ ngập lụt 8 quận nội thành Hà Nội năm 2012 ................................59
Hình 32: Bản đồ ngập lụt 08 quận nội thành Hà Nội năm 2013 ..............................60
Hình 33: Sơ đồ tính toán mạng lưới lưu vực sông Kim Ngưu trong MIKE URBAN 63
Hình 34: Biên đầu vào cho lưu vực Kim Ngưu .........................................................63
Hình 35: Hình ảnh trạm đo mực nước tự động trên lưu vực sông Kim Ngưu ..........64
Hình 36: Vị trí 5 trạm đo mực nước..........................................................................65
Hình 37: Cấu trúc hệ thống MIKE OPERATIONS ...................................................65
Hình 38: Trang web quản lý số liệu của 5 trạm đo mực nước tự động ....................66
Hình 39: Hình ảnh ngập lụt lưu vực Kim Ngưu lúc 2h ngày 25/5/2016...................67
Hình 40: Kết quả độ sâu ngập trận mưa ngày 25/05/2016 ......................................68
Hình 41: Mực nước tại 5 trạm đo mực nước tự động thuộc lưu vực Kim Ngưu ngày
25/5/2016. ..................................................................................................................69
Hình 42: Hình ảnh ngập lụt lưu vực Kim Ngưu lúc 6 giờ sáng ngày 28/8/2016 ......70
Hình 43: Kết quả độ sâu ngập trận mưa ngày 28/08/2016 ......................................71
Hình 44: Mực nước tại 5 trạm đo mực nước tự động thuộc lưu vực Kim Ngưu ngày
28/8/2016. ..................................................................................................................72

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Đặc trưng lượng mưa nhiều năm (1971 - 2014) ...........................................8
Bảng 2: Đặc trưng bốc hơi nhiều năm (1971 - 2014).................................................8
Bảng 3: Đặc trưng nhiệt độ nhiều năm (1971 - 2014)................................................9
Bảng 4: Đặc trưng độ ẩm trung bình nhiều năm (1971 - 2010) ...............................10
Bảng 5: Đặc trưng mực nước trung bình tại trạm Hà Nội .......................................11
Bảng 6: Kết quả độ sâu ngập lớn nhất hiệu chỉnh mô hình Mike Urban tại một số vị
trí điển hình năm 2012 ..............................................................................................52
Bảng 7: Kết quả độ sâu ngập lớn nhất kiểm định mô hình Mike Urban tại một số vị
trí điển hình năm 2013 ..............................................................................................54
Bảng 8: Bảng tổng kết số lượng đối tượng đưa vào mô hình MIKE URBAN cho toàn
bộ hệ thống thoát nước Hà Nội .................................................................................57
Bảng 9: Vị trí chi tiết 05 điểm lắp đặt trạm đo mực nước ........................................64
Bảng 10: So sánh kết quả ngập tại một số điểm ngập trận mưa ngày 25/5/2016 ....68
Bảng 11: So sánh với kết quả ngập thực đo với kết quả mô phỏng ..........................71


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Đề tài
Hiện nay, tại các thành phố lớn, dân số ngày càng tăng nhanh, tốc độ đô thị
hóa chóng mặt dẫn đến quỹ đất tự nhiên ngày càng bị thu hẹp thay vào đó là diện
tích đất đai bị bê tông hóa. Rất nhiều sông hồ bị lấp, kênh mương thì bị lấn chiếm,
các nhà cao tầng mọc lên san sát thay thế các khu đất trống làm giảm diện tích thoát
nước tự nhiên cũng như khả năng thấm, thời gian nước chảy tràn trên bề mặt.
Có thể nhận thấy hệ thống thoát nước nội thành Hà Nội là hệ thống cũ,
không được thiết kế theo kịp quy hoạch sử dụng đất mới của Thành phố, thêm vào
đó các công trình xây dựng trên địa bàn góp phần không nhỏ vào tình trạng xuống
cấp của hệ thống thoát nước do vật liệu xây dựng không được quản lý đúng tiêu
chuẩn, rơi xuống đường, lấp hố ga thu nước... Đồng thời, các dự án cải tạo hệ thống

thoát nước khu vực nội thành tiến độ còn chậm do nhiều nguyên nhân. Kết hợp với
những trận mưa lớn do Biến đổi khí hậu gây ra, những năm gần đây Hà Nội liên
tiếp đối mặt với những trận ngập trên diện rộng, gây ảnh hưởng không nhỏ đến hoạt
động kinh tế xã hội, nhất là khu vực nội đô.
Trận mưa lịch sử xảy ra vào cuối tháng 10/2008 với tổng lượng mưa phổ
biến từ 350 - 550 mm trên toàn thành phố Hà Nội đã có nhiều điểm bị ngập úng dài
từ 100-300 mét, sâu trên dưới 1m đã gây nên tình trạng ngập úng lớn, làm thiệt hại
về kinh tế lên đến 3.000 tỷ đồng. Gần đây có trận mưa lớn đêm ngày 24/5/2016,
lượng mưa tại Hà Nội đạt 150,3mm trong vòng 12 tiếng khiến cho rất nhiều tuyến
đường trên địa bàn Hà Nội ngập từ 30 – 50cm và dài gần 1km, ảnh hưởng lớn đến
cuộc sống của nhân dân.
Để giải quyết các vấn đề về ngập lụt đô thị, có hai phương pháp, đó là
phương pháp công trình và phương pháp phi công trình. Phương pháp công trình là
đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng, phương pháp phi công trình là tận dụng cơ sở hạ
tầng sẵn có, áp dụng các công nghệ tiên tiến để quản lý, vận hành. Tuy nhiên

1


phương pháp phi công trình là phương pháp tốn ít chi phí, vận hành nhanh nên được
áp dụng rộng rãi trong các đô thị hiện nay.
Trước tình hình đó, việc xây dựng, mô phỏng hệ thống thoát nước để cảnh
báo ngập lụt trên địa bàn Hà Nội là rất cần thiết. Các thông tin, kết quả và các bản
đồ sẽ cho nhà quản lý một cái nhìn tổng thể về tình hình ngập trên địa bàn Hà Nội
trước mỗi trận mưa lớn. Từ đó, các cơ quan chức năng và người dân sẽ đưa ra các
phương án giải quyết tốt nhất để hạn chế thiệt hại do ngập lụt gây ra.
2. Mục tiêu
Mục tiêu chính của Đề tài là tính toán mô phỏng hệ thống thoát nước khu
vực Hà Nội và ứng dụng thiết lập hệ thống dự báo ngập lụt thời gian thực lưu vực
Kim Ngưu. Các mục tiêu cụ thể như sau:

+ Thu thập số liệu, nghiên cứu áp dụng mô hình (MIKE URBAN) để mô
phỏng hệ thống thoát nước khu vực Hà Nội.
+ Ứng dụng xây dựng các bản đồ ngập lụt cho 8 quận nội thành Hà Nội.
+ Xây dựng hệ thống cảnh báo ngập lụt thời gian thực lưu vực sông Kim
Ngưu.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Trong luận văn áp dụng cho đối tượng và phạm vi nghiên cứu như sau:
+ Đối tượng nghiên cứu là hiện tượng ngập lụt đô thị Hà Nội.
+ Giới hạn phạm vi nghiên cứu: Khu vực thành phố Hà Nội
+ Các số liệu sử dụng để hiệu chỉnh, kiểm định mô hình: Số liệu mưa, số liệu
khảo sát vết ngập khu vực Hà Nội của 2 trận mưa lớn năm 2012 và 2013.
+ Số liệu mưa, mực nước, số liệu khảo sát vết ngập của trận mưa ngày
25/5/2016 và ngày 28/8/2016 để mô phỏng hệ thống cảnh báo úng ngập thời gian
thực lưu vực Kim Ngưu.

2


So sánh mức độ ngập lụt mô phỏng với mức độ ngập lụt thực đo do công ty
Thoát nước cung cấp tại một số vị trí.
Bảng 10: So sánh kết quả ngập tại một số điểm ngập trận mưa ngày 25/5/2016
STT

Vị trí ngập lụt

Mức độ ngập
lụt thực đo

Mức độ ngập
mô phỏng

Sai số

1

Ngã tư Trần Xuân Soạn – Hàng
Bài

0.37

0.45

0.08

2

Ngã tư Nguyễn Du – Hàng Bài

0.11

0.16

0.05

3

283 Trần Khát Chân

0.08

0.12

0.04

Kết quả độ sâu ngập tại một số vị trí kiểm tra:

Hình 40: Kết quả độ sâu ngập trận mưa ngày 25/05/2016

68


Kết quả tại 5 trạm đo mực nước tự động thuộc lưu vực Kim Ngưu ngày
25/5/2016.

Nash = 90.5%

Nash = 87.6%

Nash = 86.1%

Nash=84.8%

Nash = 81.3%
Hình 41: Mực nước tại 5 trạm đo mực nước tự động thuộc lưu vực Kim Ngưu
ngày 25/5/2016.

69


 Ngày 28/8/2016, do chịu ảnh hưởng của không khí lạnh nén rãnh thấp có

trục qua Bắc Bộ nên khu vực Hà Nội có mưa vừa mưa to đến rất to. Lượng mưa phổ
biến từ 50 – 100mm, gây ngập úng nghiêm trọng nhiều nơi trong thành phố. Dưới
đây là kết quả mô phỏng úng ngập lưu vực Kim Ngưu ứng với trận mưa lúc 6 giờ
sáng ngày 28/8/2016.

Hình 42: Hình ảnh ngập lụt lưu vực Kim Ngưu lúc 6 giờ sáng ngày 28/8/2016
So sánh mức độ ngập lụt mô phỏng với mức độ ngập lụt thực đo do công ty
Thoát nước cung cấp tại một số vị trí. (bảng 11)

70