Đánh giá hiện tượng lũ quét Khu du lịch sinh thái Thác Bảo Đại - Tuyền Lâm, TP Đà Lạt

Tóm tắt:

Dự án "Khu du lịch tham quan, dã ngoại thác Bảo Đại- Tuyền Lâm" là vùng đồi núi cách trung tâm thành phố Đà Lạt khoảng 3.5km với lưu vực khoảng 14.5 km². Khi có mưa trên lưu vực, dòng chảy tràn được hình thành và tập trung vào hồ Tuyền Lâm. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp mô phỏng toán số nhằm mục đích đánh giá định lượng dòng lũ quét ngang qua khu vực nghiên cứu (khoảng 5ha), chiều sâu ngập nước và thời gian tập trung nước trong hồ Tuyền Lâm, từ đó đưa ra các cảnh báo khi quy hoạch xây dựng dự án.

Từ khoá: Telemac2D, lũ quét, Đà Lạt, khu du lịch sinh thái, ngập nước.

1. Đặt vấn đề

Trong khoảng 10 năm trở lại đây, cùng với sự cực đoan ngày càng gia tăng của thời tiết cũng như sự mất cân bằng trong quy hoạch (bê tông hóa cao lấn chiếm lòng suối, quá nhiều nhà kính và nhà lưới, hệ thống thoát nước xuống cấp, …), các trận mưa lớn dễ dàng gây ngập cục bộ hoặc sạt lở tại một số khu vực tại đô thị Đà Lạt, nhất là những vùng trũng, dẫn đến tổn thất cả người và tài sản. Việc dự báo và cảnh báo sớm các nguy cơ tại các khu vực trọng điểm cũng như lập bản đồ phân vùng mức độ rủi ro để chủ động ứng phó, giảm thiểu thiệt hại là hết sức cần thiết. Trong các hội thảo gần nhất về phòng chống thiên tai cho địa bàn thành phố Đà Lạt và tỉnh Lâm Đồng, ý kiến từ các chuyên gia, nhà khoa học, nhà quản lý đều thống nhất về việc cần rà soát, lập mới, điều chỉnh quy hoạch đô thị theo hướng lợi dụng ưu thế tự nhiên để tăng mức độ thích nghi, giảm bớt rủi ro, tôn trọng không gian dành cho nước; quy hoạch thoát nước theo hướng thoát nước bền vững thích ứng biến đổi khí hậu.

Nghiên cứu này nhằm mục đích đánh giá định lượng dòng lũ quét ngang qua khu vực nghiên cứu (khoảng 5ha), chiều sâu ngập nước và thời gian tập trung nước trong hồ Tuyền Lâm, làm cơ sở để đưa ra các cảnh báo khi quy hoạch xây dựng dự án. Trên cơ sở phân tích số liệu bản đồ DEM tỷ lệ 1/10000 cho diện tích tổng cộng của lưu vực là 14.5 km², đường tụ thủy khu vực nghiên cứu và hành lang thoát nước tổng thể đã được xác định (hình 1). Khi mưa rơi xảy ra trên lưu vực nước sẽ tập trung và trục thoát nước chính theo hướng Bắc - Nam sẽ đi vào vùng phía Bắc hồ chứa nước Tuyền Lâm. Vị trí của nghiên cứu sẽ nằm trên vùng sườn đồi của hành lang thoát nước mưa vùng hạ lưu, cạnh hồ chứa nước Tuyền Lâm.

2. Mô phỏng Chế độ thủy lực học 2D vùng Du lịch sinh thái thác Bảo Đại - Tuyền Lâm 

Phương pháp sử dụng trong nghiên cứu là sử dụng mô hình toán số, qua đó hiện tượng sẽ được mô phỏng bằng cách áp dụng đồng thời lý thuyết các bài toán thuỷ động lực với mô hình Telemac2D. Chương trình nêu trên đã được phát triển bởi Điện lực Pháp (EDF) với sự cộng tác của các phòng thí nghiệm Châu Âu và Châu Mỹ [1,2,3] và đây là các mô hình với mã nguồn mở được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Phần mềm thủy lực này mô phỏng dòng chảy 2 chiều theo phương nằm ngang (trung bình theo phương thẳng đứng) được mô tả bởi hệ phương trình Saint Venant như sau:

Trong đó: h(m) – chiều sâu, u & v(m/s) – thành phần vận tốc theo phương ngang x & y của vận tốc , q(m/s) – lưu lượng đơn vị của nguồn, Z_s(m) – cao độ mặt thoáng, F_x,y(m/s²) – các ngoại lực (không kể trọng lực, ví dụ lực Coriolis,...) tác dụng trên một đơn vị khối lượng chiếu theo phương ngang x & y,(m²/s)- hệ số khuếch tán.

Mô hình Telemac2D được lập trình có thể lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn hoặc thể tích hữu hạn. Bài toán số được lập trình có thể xử lý được các dạng điều kiện biên như: Biên mực nước Z, biên lưu lượng Q, biên lưu lượng và mực nước (Q&Z), biên vận tốc (u,v), biên vận tốc và mực nước (u,v& Z) hoặc dạng biên sóng đến. Các dạng biên khác nếu có sẽ được người sử dụng lập trình riêng nhờ vào phần mềm được tổ chức dưới dạng mã nguồn mở.

Đối với khu vực nghiên cứu, mô phỏng sử dụng dụng bản đồ số (DEM) tỷ lệ 1/10000 của thành phố Đà Lạt kết hợp với số liệu địa hình khu vực dự án nghiên cứu (hình 2). Lưới mô phỏng miền tính có dạng tam giác phi cấu trúc đã được xây dựng với khoảng 65200 phần tử. Các vị trí lưới theo các tuyến suối thu nước có cạnh trung bình 15m và khu vực còn lại có cạnh trung bình là 25m (hình 3).

Điều kiện biên miền nghiên cứu gồm biên thuỷ lực là mực nước hồ Tuyền Lâm và biên thủy văn sử dụng số liệu mưa ngày tại trạm thủy văn Đà Lạt [4,5,6,7] thu thập trong 66 năm từ năm 1952 đến năm 2019 nhằm phục vụ cho phân tích, tính toán mưa ngày lớn nhất với các tần suất khác nhau (xem hình 5).

Nhằm nghiên cứu hiện tượng lũ quét cho khu vực nghiên cứu, các kịch bản thủy lực với chu kỳ lặp lại mưa khác nhau đã được xem xét tính toán (Bảng 1).

Bảng 1: Kịch bản mô phỏng thủy lực

Thời gian mô phỏng là 3 ngày. Nhằm đảm bảo tính ổn định trong mô phỏng toán số, giả thiết mưa sẽ bắt đầu lúc 12h ứng với thời gian bắt đầu mô phỏng (t=0h).

Phân bố hệ số nhám Manning khu vực tính toán mô phỏng được trình bày trong đồ thị sau:

3. Kết quả

Trường vận tốc

Đồ thị sau đây trình bày trường một vận tốc dòng chảy tức thời điển hình của kịch bản mưa có chu kỳ lặp lại trung bình 20 năm. Kết quả cho thấy hiện tượng tập trung dòng chảy mặt về hệ thống đường tụ thủy của lưu vực nghiên cứu và chảy về hồ Tuyền Lâm.

Kết quả cho thấy trục tập trung nước chính phía Bắc, chảy theo hướng Bắc Nam ngang qua khu vực nghiên cứu để chảy vào hồ Tuyền Lâm là quan trọng trong lưu vực.

Bản đồ ngập

Khu vực nghiên cứu xây dựng nằm trên cuối hành lang thoát nước của khu vực nghiên cứu. Xây dựng bản đồ ngập cho phép xem xét xác định ranh giới xây dựng công trình hợp lý nhằm giảm thiểu tác động xấu do ngập khi mưa xảy ra trên lưu vực. Ngoài ra, trên cơ sở bản đồ ngập cho phép nghiên cứu quy hoạch các công trình hạ tầng bảo vệ một cách hợp lý và kinh tế. Bản đồ ngập tương ứng với các trường hợp mưa ngày lớn nhất tương ứng với các kịch bản mưa lặp lại với các chu kỳ 20 năm, 50 năm và 100 năm. Một số kết quả điển hình trình bày sau đây:

^{Ghi chú: Tọa độ các điểm}

^{1(553552.9;1317371.1), 2(573510.8;1317316.5), 3(573506.5;1317245.3), 4(573455.9;1317141.5), 5(573415.5;1317068.1), 6(573359.5;1316984.1)}

Đồ thị sau đây trình bày diễn biến lưu lượng dòng chảy qua mặt cắt [A]-[A] và chiều sâu nước tại các vị trí [1], [2], [3], [4] và [5] theo thời gian mô phỏng:

Kết quả cho thấy xu thế chiều sâu nước lớn nhất tăng dần theo chiều dòng chảy về hướng hồ Tuyền Lâm. Lưu ý ở đây cao trình mực nước ngập giữa vai trò chính trong sự xác định vùng bị ngập của dự án.

Ảnh hưởng của thời gian mưa lên hiện tượng ngập

Phân tích thống kê thủy văn được thực hiện với giá trị mưa lớn nhất ngày với số liệu từ năm 1952 đến năm 2019. Kết quả cho phép xác định tổng lượng mưa lớn nhất ngày tương ứng với các tần xuất hiện khác nhau. Để đánh giá ảnh hưởng của phân bố mưa (cường độ), trong nghiên cứu sẽ thực hiện với 4 kịch bản thời gian kéo dài 1h, 2h, 3, và 4h với giả thiết mưa phân bố đều trên toàn lưu vực, tương ứng với tổng lượng mưa lớn nhất ngày được xác định từ thống kê với chu kỳ mưa lặp lại xác định. Đồ thị sau đây trình bày tổng hợp kết quả tính toán chiều sâu nước tại các vị trí đại biểu xem xét trục thoát nước chính khu vực gần dự án.

Ảnh hưởng tần suất mưa lặp lại lên hiện tượng ngập khu vực vùng dự án

Theo kết quả phân tích thống kê cho thấy mức độ thay đổi tổng lượng mưa lớn nhất ngày theo chu kỳ lặp lại. Phân tích số liệu mưa lớn nhất ngày nêu trên cho thấy ứng với tần suất mưa có cho kỳ lặp lại trung bình 20 năm sẽ là 168.8 mm, với chu kỳ 50 năm sẽ là 217.31mm và chu kỳ 100 năm sẽ là 261.21 mm. Sự lựa chọn tần suất mưa sẽ ảnh hưởng đến sự thiết kế an toàn của công trình và đầu tư kinh tế ban đầu của dự án. Quyết định này sẽ phụ thuộc vào Chủ đầu tư dựa trên các số liệu kinh tế, kỹ thuật. Kết quả sau đây sẽ trình bày sự thay đổi định lượng về chiều sâu ngập nước (tại các vị trí điển hình) trên hành lang thoát nước của khu vực gần dự án.

Bảng tổng hợp sau đây trình bày sự gia tăng mực nước ngập lớn nhất tại các vị trí xem xét [i] theo tần suất mưa lặp lại:

Bảng 2: Tổng hợp sự gia tăng tương đối mực nước lớn nhất theo chu kỳ mưa

Nhận xét: Từ kết quả chiều sâu ngập nước tại 6 vị trí điển hình xem xét có thể rút ra một số nhận xét chính sau:

4. Kết luận

Trên cơ sở tính toán đã thực hiện nêu trên, có thể rút ra một số kết luận chính sau đây:

Lời cảm ơn: Chúng tôi xin cảm ơn Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM đã hỗ trợ cho nghiên cứu này.

Tài liệu tham khảo

[3] Modeling culverts in TELEMAC. Smolders, S.; Vercruysse, J.; Spiesschaert, T.; Geerts, S.; Mostaert, F. FHR reports.