Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Hà Giang là trung tâm chính trị, kinh tế và văn hóa của tỉnh Hà Giang, có tổng diện tích tự nhiên đạt 13.345,9 ha với quy mô dân số khoảng 56.428 người, trong đó tỷ lệ dân cư sinh sống tại khu vực đô thị chiếm tới 75,37%. Nằm trong vùng thung lũng có địa hình dốc đứng và là nơi hợp lưu giữa sông Lô và sông Miện, thành phố thường xuyên phải đối mặt với các đợt thiên tai lũ lụt khốc liệt. Chuỗi quan trắc thủy văn trong hơn 40 năm qua ghi nhận nhiều trận lũ lịch sử đặc biệt lớn như năm 1969 với mực nước đỉnh lũ đạt 105,85m (vượt mức báo động 3 tới 2,85m), năm 1971 đạt 101,44m, năm 1986 đạt 98,07m và đợt lũ tháng 7/2014 đạt 103,46m làm ngập sâu gần 2,0 km các trục đường giao thông chính, gây cô lập cục bộ nhiều khu dân cư.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là giải quyết tình trạng thiếu hụt các công cụ tính toán thủy lực chuyên sâu và bản đồ phân vùng ngập lụt chi tiết phục vụ công tác quy hoạch đô thị. Mục tiêu cụ thể của luận văn là đánh giá toàn diện đặc điểm hình thái mưa lũ, ứng dụng công nghệ mô hình hóa không gian để xây dựng bản đồ rủi ro ngập lụt theo các kịch bản tần suất 1%, 2%, 5% và 10%, từ đó đề xuất hệ thống giải pháp công trình và phi công trình phù hợp. Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ địa giới hành chính của 5 phường nội thành và 3 xã ngoại thành dọc hành lang thoát lũ sông Lô. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi cung cấp luận cứ khoa học giúp giảm thiểu từ 30% đến 40% thiệt hại kinh tế do ngập lụt hàng năm, đồng thời bảo vệ trực tiếp tính mạng và tài sản cho hơn 56.000 người dân trên địa bàn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết thủy lực dòng chảy hở không ổn định và lý thuyết lan truyền sóng lũ trong hệ thống sông miền núi. Khung lý thuyết tích hợp hệ phương trình liên tục và phương trình chuyển động Saint-Venant một chiều (1D) để mô tả động lực học dòng chảy trong lòng dẫn chính, kết hợp với hệ phương trình nước nông hai chiều (2D) trung bình theo độ sâu giải trên hệ tọa độ Navier-Stokes cải biên để mô phỏng diễn biến ngập tràn trên bề mặt địa hình phức tạp.

Mô hình nghiên cứu cốt lõi sử dụng bộ công cụ phần mềm chuyên dụng MIKE do Viện Thủy lực Đan Mạch phát triển, cụ thể là sự liên kết đồng bộ giữa mô-đun MIKE 11 (thủy lực 1 chiều) và mô-đun MIKE 21 Flexible Mesh (thủy lực 2 chiều lưới tam giác linh hoạt) thông qua công cụ liên kết MIKE FLOOD. Nghiên cứu tập trung làm rõ 5 khái niệm chuyên ngành then chốt bao gồm: tần suất lũ thiết kế (chu kỳ lặp lại P%), đường quá trình lưu lượng xả lũ, hệ số nhám đáy sông Manning, đường bao ngập lụt đỉnh triều và hành lang thoát lũ an toàn đô thị.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào bao gồm chuỗi số liệu đo đạc khí tượng thủy văn liên tục hơn 40 năm tại trạm thủy văn Hà Giang và trạm Đạo Đức, hệ thống bình đồ địa hình số tỷ lệ 1/5.000 kết hợp với hơn 60 mặt cắt ngang thực đo chi tiết lòng dẫn sông Lô và sông Miện. Về phương pháp phân tích, tác giả sử dụng phương pháp mô hình hóa toán học kết hợp công nghệ hệ thống thông tin địa lý (GIS) và kỹ thuật phân tích thống kê xác suất để xử lý các kịch bản cực đoan.

Quy mô mẫu phân tích bao gồm 7 kịch bản tổ hợp thủy lực điển hình, kết hợp giữa 4 cấp tần suất lũ trên sông chính (1%, 2%, 5%, 10%) và 3 cấp báo động lũ (Báo động 1, Báo động 2, Báo động 3) với lượng mưa nội suy tại các tiểu lưu vực. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu toàn diện có mục đích, tập trung vào 100% các khu vực trũng thấp có mật độ dân cư tập trung trên 418 người/km². Lý do lựa chọn mô hình 1D kết hợp 2D là vì phương pháp này cho phép tái hiện chính xác tương tác phức tạp giữa dòng chảy xiết trong lòng sông chính và vùng ngập mở rộng ở các khu đô thị ven bờ mà mô hình 1D đơn thuần không thể phản ánh đầy đủ. Timeline thu thập, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình được tiến hành khép kín dựa trên chuỗi số liệu thực đo của các trận lũ năm 2008 và năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả mô phỏng cho thấy khi xuất hiện trận lũ tần suất thiết kế 1% (chu kỳ 100 năm) kết hợp với mưa cực đoan nội vùng, tổng diện tích ngập lụt tại khu vực trung tâm thành phố Hà Giang lên tới trên 350 ha, độ sâu ngập tại nhiều điểm dân cư vượt ngưỡng 2,5m đến 3,2m.

Thứ hai, ba phường trung tâm gồm Trần Phú, Minh Khai và Nguyễn Trãi được xác định là vùng tổn thương nặng nề nhất, chiếm hơn 65% tổng diện tích đất bị ngập nước toàn đô thị. Tại đây, cốt ngập sâu làm gián đoạn hoàn toàn hơn 5,5 km các trục đường giao thông huyết mạch, bao gồm tuyến Quốc lộ 2 kết nối đi cửa khẩu quốc tế Thanh Thủy.

Thứ ba, ở kịch bản lũ tần suất 10% (chu kỳ 10 năm), diện tích ngập giảm xuống còn khoảng 180 ha với độ sâu ngập trung bình từ 0,4m đến 0,9m. Tuy nhiên, thời gian ngập úng duy trì kéo dài từ 14 đến 26 giờ do độ dốc thoát nước của hệ thống cống nội thị bị triệt tiêu bởi mực nước sông Lô duy trì ở mức cao trên 102,5m.

Thứ tư, nghiên cứu phát hiện việc suy giảm độ che phủ rừng đầu nguồn và các hoạt động xây dựng cản trở dòng chảy tại đoạn hợp lưu sông Miện đã làm gia tăng vận tốc dòng chảy lũ cục bộ thêm 15%, gây nguy cơ xói lở chân bờ kè hiện hữu tại hơn 10 vị trí trọng điểm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tình trạng ngập lụt nghiêm trọng là do đặc thù phân bố mưa cực đoan của vùng núi phía Bắc. Lượng mưa trung bình năm tại khu vực lân cận lên tới 4.740 mm/năm tại Bắc Quang và 3.498 mm/năm tại thành phố Hà Giang, trong đó mùa mưa kéo dài từ tháng 5 đến tháng 9 chiếm tới 75% đến 85% tổng lượng mưa cả năm. Mưa tập trung cường suất lớn trên 250 mm/ngày trùng thời điểm lũ thượng nguồn đổ về tạo ra hiện tượng dâng nước đột ngột.

Về mặt trực quan hóa, toàn bộ dữ liệu thủy lực được biểu diễn thông qua hệ thống biểu đồ đường quá trình mực nước tại các trạm kiểm tra và các bảng thống kê chi tiết diện tích ngập theo từng đơn vị hành chính. Bản đồ số hóa GIS phân tầng trực quan theo 4 dải độ sâu (dưới 0,5m; 0,5m - 1,0m; 1,0m - 2,0m và trên 2,0m) giúp nhận diện rõ nét ranh giới dòng chảy xiết. So sánh với các nghiên cứu tương tự tại lưu vực sông Cả hay lưu vực sông Thao, việc tích hợp mô hình 2D lưới linh hoạt cho kết quả kiểm định có sai số đỉnh lũ dưới 4,5%, mang lại độ tin cậy vượt trội trong việc hoạch định chính sách phòng vệ đô thị.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, xây dựng mới và kiên cố hóa 3,85 km hệ thống kè bờ sông Lô và sông Miện, bao gồm đoạn qua phường Trần Phú dài 0,53 km, phường Minh Khai dài 1,60 km và phường Nguyễn Trãi dài 1,85 km với cao trình đỉnh kè thiết kế đạt tối thiểu 104,0m. Nhiệm vụ này cần được Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng các Công trình Nông nghiệp và PTNT tỉnh triển khai hoàn thành trước quý 4 năm 2028.

Thứ hai, nâng cao tỷ lệ độ che phủ rừng phòng hộ đầu nguồn lưu vực sông Lô và sông Miện lên trên 65% nhằm giảm thiểu 18% lưu lượng đỉnh lũ chảy tràn. Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn phối hợp với chính quyền địa phương thực hiện các chương trình trồng rừng bổ sung liên tục từ năm 2026 đến năm 2030.

Thứ ba, thiết lập mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn tự động gồm 15 trạm đo mưa chuyên dùng và 03 trạm đo mực nước truyền tin tự động theo thời gian thực dọc tuyến sông, phấn đấu giảm thời gian trễ trong cảnh báo xuống dưới 20 phút. Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh Hà Giang chịu trách nhiệm quản lý vận hành từ năm 2027.

Thứ tư, ban hành quy chế phối hợp liên ngành về quản lý hành lang thoát lũ và vận hành xả lũ an toàn giữa các hồ chứa thủy điện bậc thang trên lưu vực sông Lô, bảo đảm dung tích cắt lũ chủ động tối thiểu 15 triệu mét khối nước trong các tình huống khẩn cấp, do Ủy ban nhân dân tỉnh chỉ đạo thực thi hàng năm trước ngày 15 tháng 5.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm cơ quan quản lý nhà nước và phòng chống thiên tai: Ban Chỉ huy Phòng chống Thiên tai và Tìm kiếm Cứu nạn cùng các Sở ban ngành tại Hà Giang có thể trực tiếp ứng dụng bộ bản đồ ngập lụt để xây dựng phương án sơ tán dân cư chi tiết tới từng tổ dân phố khi mực nước sông Lô vượt báo động 2.

Nhóm kỹ sư tư vấn thiết kế và quy hoạch đô thị: Sử dụng các thông số thủy lực, cao trình ngập lụt tính toán và hành lang thoát lũ để xác định cốt san nền chuẩn cho các dự án xây dựng hạ tầng kỹ thuật, đường giao thông và khu đô thị mới ven sông.

Nhóm viện nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học: Đây là tài liệu tham khảo giá trị cao về mặt học thuật trong việc ứng dụng công nghệ mô hình hóa MIKE FLOOD tích hợp 1D-2D trên địa hình sông ngòi miền núi có độ dốc cao và dữ liệu đo đạc hạn chế.

Nhóm các tổ chức phát triển và cộng đồng dân cư địa phương: Khai thác thông tin rủi ro thiên tai để xây dựng các dự án nâng cao năng lực thích ứng với biến đổi khí hậu dựa vào cộng đồng, giúp các hộ dân tại 5 phường nội thành chủ động gia cố nhà cửa và bảo vệ sinh kế.

Câu hỏi thường gặp

Điểm đột phá của mô hình MIKE FLOOD ứng dụng trong luận văn so với các phương pháp tính toán truyền thống là gì? Mô hình kết hợp linh hoạt dòng chảy 1 chiều trong lòng sông với dòng tràn 2 chiều trên bề mặt đô thị thông qua lưới phi cấu trúc. Điều này giúp mô phỏng chính xác đường ngập lụt tại 8 phường xã với sai số mực nước kiểm định chỉ khoảng 3,8%, vượt trội so với các công thức thủy lực kinh nghiệm trước đây.

Tại sao khu vực 3 phường trung tâm Trần Phú, Minh Khai, Nguyễn Trãi lại ngập sâu nhất thành phố? Do vị trí địa hình trũng thấp ven bờ sông Lô, lòng dẫn bị co hẹp tự nhiên kết hợp mật độ đô thị hóa trên 75% làm giảm diện tích thấm tự nhiên. Khi lưu lượng lũ vượt 2.500 m3/s, nước sông dâng cao tràn ngược vào hệ thống cống thoát nội thị gây ngập sâu trên 1,5m.

Kịch bản ngập lụt tần suất 1% có ý nghĩa như thế nào trong công tác quy hoạch hạ tầng? Tần suất 1% đại diện cho trận lũ 100 năm xuất hiện một lần với lượng dòng chảy cực hạn. Đây là chỉ số pháp lý bắt buộc để ấn định cao trình đỉnh kè 104,0m và cốt san nền các công trình trọng điểm nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối trước biến đổi khí hậu.

Việc trồng rừng phòng hộ đầu nguồn có thể giúp cắt giảm bao nhiêu phần trăm nguy cơ lũ lụt? Theo tính toán mô hình thủy văn, việc duy trì và nâng cao độ che phủ rừng đầu nguồn đạt mức trên 62% có khả năng giữ lại lượng nước mặt đáng kể, giúp làm chậm thời gian tập trung dòng chảy và giảm lưu lượng đỉnh lũ từ 12% đến 18% khi có mưa lớn trên 200 mm/ngày.

Làm thế nào để hệ thống cảnh báo sớm phát huy hiệu quả bảo vệ tính mạng cho người dân ven sông? Hệ thống 15 trạm quan trắc tự động kết hợp truyền dữ liệu thời gian thực cho phép phát thông báo trước từ 3 đến 6 giờ trước khi đỉnh lũ xuất hiện. Khoảng thời gian vàng này giúp chính quyền di dời an toàn hơn 10.000 người dân khỏi các vùng ngập sâu trên 1,0m.

Kết luận

• Luận văn đã thiết lập thành công mô hình thủy lực 1D-2D tích hợp bằng công nghệ MIKE FLOOD, phản ánh chân thực cơ chế ngập lụt phức tạp tại thành phố Hà Giang. • Bộ bản đồ rủi ro ngập lụt số hóa chi tiết đã làm sáng tỏ phạm vi ảnh hưởng của 7 kịch bản tổ hợp lũ và mưa cực đoan với chu kỳ lặp lại từ 10 năm đến 100 năm. • Phân vùng chính xác các điểm nghẽn thoát lũ trọng yếu tại 3 phường nội thành, cung cấp cơ sở dữ liệu số độ phân giải cao phục vụ quy hoạch hạ tầng đô thị. • Đề xuất hoàn chỉnh khung giải pháp công trình bao gồm 3,85 km kè bảo vệ kết hợp các giải pháp phi công trình về quản lý rừng đầu nguồn và trạm cảnh báo tự động. • Định hướng lộ trình nghiên cứu tiếp theo giai đoạn 2026-2030 cần tích hợp mô hình vận hành liên hồ chứa thủy điện xuyên biên giới để tối ưu hóa an toàn lưu vực.

Đóng góp lớn nhất của công trình nghiên cứu là cung cấp một cẩm nang khoa học hoàn chỉnh và khả thi về mặt kỹ thuật trong quản lý rủi ro thiên tai tại đô thị miền núi. Để hiện thực hóa mục tiêu bảo vệ bền vững thành phố Hà Giang, các cơ quan ban ngành cần nhanh chóng ứng dụng ngay bộ bản đồ ngập lụt vào việc rà soát cốt xây dựng và ưu tiên phân bổ ngân sách triển khai các công trình kè xung yếu trước mùa mưa lũ tới.