Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Cả là hệ thống sông lớn nhất vùng Bắc Trung Bộ Việt Nam, với diện tích khoảng 27.200 km², trong đó 65,2% diện tích nằm trên địa phận tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh. Đây là khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng của các hình thái thời tiết gây mưa lũ lớn, dẫn đến những trận lũ lịch sử như năm 1978, 1988 và 2002, gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản. Mức độ lũ trên lưu vực dao động với khoảng 2-3 trận lũ/năm, có những đỉnh lũ vượt báo động III, đặc biệt là các trận lũ kép và lũ quét gây thiệt hại lớn.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng bản đồ ngập lụt chi tiết cho lưu vực sông Cả, đồng thời đề xuất các phương án phòng chống lụt bão và giảm nhẹ thiên tai phù hợp với đặc điểm địa lý, khí tượng thủy văn của khu vực. Nghiên cứu tập trung vào giai đoạn từ năm 1975 đến 2005, với phạm vi địa lý bao gồm toàn bộ lưu vực sông Cả trên lãnh thổ Việt Nam và một phần thượng nguồn thuộc Lào.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp công cụ dự báo, cảnh báo ngập lụt chính xác, hỗ trợ công tác quy hoạch hệ thống công trình thủy lợi, phòng chống thiên tai và giảm nhẹ thiệt hại do lũ gây ra. Việc xây dựng bản đồ ngập lụt dựa trên mô hình thủy văn và thủy lực hiện đại kết hợp với GIS sẽ giúp nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước và ứng phó biến đổi khí hậu tại lưu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai mô hình thủy văn và thủy lực chính để mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy và ngập lụt trên lưu vực sông Cả:

  • Mô hình HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center - Hydrologic Modeling System): Đây là mô hình thủy văn được phát triển bởi Trung tâm Thủy văn kỹ thuật quân đội Hoa Kỳ, có khả năng tính toán dòng chảy từ số liệu mưa trên lưu vực lớn và phức tạp. Mô hình cho phép phân chia lưu vực thành các tiểu lưu vực nhỏ, mô phỏng tổn thất nước, chuyển đổi mưa thành dòng chảy bề mặt và dòng chảy ngầm. Phiên bản 4.0 được sử dụng với giao diện đồ họa thân thiện, hỗ trợ phân tích thủy văn toàn diện.

  • Mô hình HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center - River Analysis System): Mô hình thủy lực dùng để mô phỏng dòng chảy trong hệ thống sông, tính toán mực nước, vận tốc dòng chảy và phân bố ngập lụt. Mô hình có khả năng mô phỏng tương tác hai chiều giữa dòng chảy trong sông và vùng đồng bằng ngập lụt, giúp xây dựng bản đồ ngập lụt chính xác.

Các khái niệm chính được sử dụng bao gồm: tổn thất nước (loss), dòng chảy bề mặt (surface runoff), dòng chảy ngầm (baseflow), cường suất lũ (flood intensity), biên độ mực nước (water level amplitude), và bản đồ ngập lụt (flood inundation map).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khí tượng thủy văn thu thập từ 36 trạm trên lưu vực sông Cả, trong đó có 14 trạm đo lưu lượng và mực nước, cùng với số liệu mưa, địa hình, thổ nhưỡng và hiện trạng sử dụng đất. Dữ liệu được thu thập trong khoảng thời gian từ năm 1975 đến 2005, đảm bảo tính đại diện cho các hiện tượng lũ lớn.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Phân tích lựa chọn mô hình thủy văn: Lựa chọn mô hình HEC-HMS do khả năng xử lý lưu vực lớn, tính toán chính xác dòng chảy từ mưa, và dễ dàng hiệu chỉnh với số liệu thực tế.

  • Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình: Sử dụng số liệu mực nước và lưu lượng thực đo tại các trạm như Nam Đàn, Linh Cảm để hiệu chỉnh mô hình, đảm bảo độ tin cậy của kết quả mô phỏng.

  • Thiết lập mô hình thủy lực: Áp dụng mô hình HEC-RAS để mô phỏng dòng chảy và xây dựng bản đồ ngập lụt với các kịch bản lũ có tần suất khác nhau (0,6%, 0,7%, 1%).

  • Sử dụng GIS: Kết hợp GIS để xử lý dữ liệu địa hình, phân tích không gian và trình bày bản đồ ngập lụt.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong vòng 12 tháng, bao gồm các giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc điểm mưa và lũ trên lưu vực: Lượng mưa trung bình năm dao động từ 1.122 đến 2.200 mm, với các vùng thượng nguồn có lượng mưa lớn hơn. Mùa mưa kéo dài từ tháng 5 đến tháng 10, tập trung cao điểm vào tháng 7, 8, 9. Các trận lũ lớn như năm 1978, 1988 và 2002 có lượng mưa từ 700 đến trên 1.600 mm trong vài ngày, gây ra đỉnh lũ vượt báo động III tại các trạm chính.

  2. Hiệu quả mô hình HEC-HMS: Mô hình đã mô phỏng chính xác quá trình dòng chảy trên lưu vực với sai số trung bình dưới 10% so với số liệu thực đo tại các trạm Nam Đàn và Linh Cảm. Lưu lượng đỉnh lũ tính toán đạt 13.180 m³/s tại Yên Thượng năm 1978, tương đương với số liệu thực tế.

  3. Bản đồ ngập lụt: Kết quả mô phỏng thủy lực cho thấy diện tích ngập lụt theo các kịch bản lũ có tần suất 0,6%, 0,7% và 1% lần lượt là khoảng 35.000 ha, 28.000 ha và 22.000 ha, tập trung chủ yếu ở vùng đồng bằng ven sông Cả và các phụ lưu lớn như sông La, sông Ngàn Phố.

  4. Phân bố lũ không đồng bộ: Các sông nhánh trong lưu vực có thời gian xuất hiện đỉnh lũ khác nhau, gây khó khăn trong công tác dự báo và ứng phó. Ví dụ, lũ trên sông La xuất hiện muộn hơn so với sông Cả do ảnh hưởng địa hình và thời gian hội tụ dòng chảy.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các trận lũ lớn là do sự kết hợp của bão, áp thấp nhiệt đới và không khí lạnh, gây mưa lớn kéo dài trên diện rộng. Sự phân bố mưa không đều và thời gian lũ lên khác nhau giữa các sông nhánh làm tăng tính phức tạp trong quản lý lũ. Kết quả mô hình HEC-HMS và HEC-RAS phù hợp với các nghiên cứu trước đây trên lưu vực, đồng thời cung cấp dữ liệu chi tiết hơn về phân bố ngập lụt.

Việc xây dựng bản đồ ngập lụt dựa trên mô hình thủy lực kết hợp GIS giúp nâng cao khả năng dự báo, cảnh báo sớm và lập kế hoạch ứng phó thiên tai hiệu quả. So với phương pháp truyền thống dựa trên điều tra thực tế, phương pháp mô phỏng cho phép dự báo ngập lụt với các kịch bản khác nhau, phù hợp với yêu cầu quản lý hiện đại.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường quá trình mực nước, bảng thống kê lưu lượng đỉnh lũ và bản đồ ngập lụt theo tần suất, giúp trực quan hóa mức độ rủi ro và khu vực nguy hiểm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng hệ thống cảnh báo lũ sớm: Tăng cường mạng lưới trạm khí tượng thủy văn, áp dụng mô hình HEC-HMS để dự báo chính xác lưu lượng lũ, giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể: UBND các tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh phối hợp Tổng cục Khí tượng Thủy văn.

  2. Phát triển và duy trì bản đồ ngập lụt chi tiết: Cập nhật bản đồ ngập lụt định kỳ dựa trên mô hình thủy lực và GIS, phục vụ công tác quy hoạch và phòng chống thiên tai. Thời gian thực hiện: hàng năm. Chủ thể: Sở Tài nguyên và Môi trường, Viện Thủy lợi.

  3. Xây dựng và nâng cấp công trình thủy lợi, đê điều: Tập trung vào các vùng đồng bằng ven sông có nguy cơ ngập lụt cao, kết hợp với các hồ chứa điều tiết lũ ở thượng nguồn. Thời gian thực hiện: 3-5 năm. Chủ thể: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, các địa phương.

  4. Tuyên truyền và đào tạo cộng đồng: Nâng cao nhận thức về phòng chống thiên tai, tổ chức diễn tập di dân khi có lũ lớn, sử dụng bản đồ ngập lụt để hướng dẫn người dân chủ động ứng phó. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể: UBND các huyện, xã, các tổ chức xã hội.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch phòng chống thiên tai, quy hoạch phát triển kinh tế vùng lưu vực sông Cả.

  2. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia thủy văn: Tham khảo phương pháp mô hình hóa thủy văn và thủy lực, áp dụng cho các lưu vực sông tương tự trong nghiên cứu và giảng dạy.

  3. Cơ quan dự báo khí tượng thủy văn: Áp dụng mô hình HEC-HMS và HEC-RAS để nâng cao độ chính xác trong dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt.

  4. Các tổ chức phi chính phủ và cộng đồng dân cư: Sử dụng bản đồ ngập lụt và các khuyến nghị để tổ chức các hoạt động giảm nhẹ rủi ro thiên tai, nâng cao khả năng ứng phó tại địa phương.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình HEC-HMS có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
    HEC-HMS có khả năng xử lý lưu vực lớn, phân chia tiểu lưu vực chi tiết, dễ sử dụng với giao diện đồ họa, và được ứng dụng rộng rãi trong tính toán dòng chảy từ mưa, phù hợp với lưu vực phức tạp như sông Cả.

  2. Bản đồ ngập lụt được xây dựng dựa trên dữ liệu nào?
    Bản đồ ngập lụt sử dụng dữ liệu mưa, mực nước, lưu lượng từ các trạm khí tượng thủy văn, kết hợp với mô hình thủy lực HEC-RAS và dữ liệu địa hình GIS để mô phỏng phân bố ngập lụt theo các kịch bản lũ.

  3. Tại sao cần kết hợp mô hình thủy văn và thủy lực?
    Mô hình thủy văn tính toán dòng chảy từ mưa, còn mô hình thủy lực mô phỏng dòng chảy trong sông và vùng ngập lụt, kết hợp giúp dự báo chính xác mực nước và diện tích ngập, phục vụ công tác phòng chống thiên tai hiệu quả.

  4. Lũ trên lưu vực sông Cả có đặc điểm gì nổi bật?
    Lũ xảy ra không đồng bộ giữa các sông nhánh, có cường suất lũ lớn và biên độ mực nước cao, đặc biệt các trận lũ lịch sử có thời gian duy trì lũ cao, gây ngập sâu và kéo dài ở vùng đồng bằng.

  5. Giải pháp nào hiệu quả nhất để giảm thiểu thiệt hại do lũ?
    Kết hợp xây dựng công trình thủy lợi, phát triển hệ thống cảnh báo sớm, duy trì và cập nhật bản đồ ngập lụt, cùng với tuyên truyền nâng cao nhận thức cộng đồng là giải pháp toàn diện và hiệu quả nhất.

Kết luận

  • Lưu vực sông Cả có đặc điểm địa hình đa dạng, khí hậu phức tạp, thường xuyên chịu ảnh hưởng của các hình thái thời tiết gây mưa lũ lớn.
  • Mô hình HEC-HMS và HEC-RAS được lựa chọn và hiệu chỉnh thành công, mô phỏng chính xác quá trình dòng chảy và ngập lụt trên lưu vực.
  • Bản đồ ngập lụt xây dựng theo các kịch bản lũ giúp xác định vùng nguy cơ cao, hỗ trợ công tác dự báo và phòng chống thiên tai.
  • Đề xuất các giải pháp đồng bộ về cảnh báo, công trình thủy lợi, quản lý đất đai và tuyên truyền cộng đồng nhằm giảm thiểu thiệt hại do lũ gây ra.
  • Nghiên cứu mở ra hướng tiếp cận hiện đại trong quản lý tài nguyên nước và ứng phó biến đổi khí hậu tại lưu vực sông Cả, cần tiếp tục cập nhật và ứng dụng trong thực tiễn.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan chức năng cần phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi và cập nhật dữ liệu để nâng cao hiệu quả quản lý lũ lụt.