Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của biến đổi khí hậu, với tổn thất kinh tế hàng năm ước tính từ 2% đến 6% GDP do thiên tai gây ra. Khoảng 70% dân số phải đối mặt với rủi ro ngập lụt, đặc biệt tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) – nơi sinh sống của khoảng 20% dân số cả nước. Thành phố Long Xuyên, tỉnh An Giang, nằm trong vùng trũng của ĐBSCL, có địa hình thấp và bằng phẳng với cao độ mặt đất trung bình từ 1 đến 2,5 mét, thường xuyên chịu tác động của mưa lớn, lũ thượng nguồn và triều cường. Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11, đặc biệt là tháng 9 và 10, thường xuất hiện các trận mưa cường suất lớn kết hợp với đỉnh lũ và triều cường, gây ngập úng cục bộ tại nội ô thành phố.

Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng mô hình thủy văn đô thị 2 chiều MIKE URBAN để xây dựng bản đồ ngập lụt cho thành phố Long Xuyên theo các kịch bản biến đổi khí hậu khác nhau, nhằm hỗ trợ công tác quản lý và phòng chống ngập lụt trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng rõ nét. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào địa bàn thành phố Long Xuyên với diện tích 115,36 km², dân số khoảng 286.683 người, mật độ dân số 2.485 người/km², sử dụng dữ liệu khí tượng thủy văn từ các trạm quan trắc trong khu vực và kịch bản biến đổi khí hậu do Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố năm 2020.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp công cụ dự báo, cảnh báo và lập kế hoạch phát triển bền vững cho thành phố Long Xuyên, góp phần giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt gây ra, đồng thời nâng cao nhận thức và năng lực ứng phó với biến đổi khí hậu tại địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn sử dụng mô hình thủy văn đô thị MIKE URBAN, một phần mềm tiêu chuẩn công nghiệp kết hợp kỹ thuật mô phỏng thủy văn và thủy lực với công nghệ GIS của ESRI. Mô hình bao gồm ba thành phần chính:

  • Mô hình thủy văn (Catchment Hydrology model): Mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy trên lưu vực dựa trên các phương trình thủy văn, sử dụng các phương pháp như Model A (thời gian – diện tích), Model B (hồ chứa phi tuyến tính) và Model C (hồ chứa tuyến tính). Các khái niệm chính bao gồm lượng mưa hiệu quả, tổn thất do thấm, bốc hơi, và dòng chảy bề mặt.

  • Mô hình hệ thống thoát nước 1 chiều: Sử dụng phương trình Saint-Venant để mô phỏng dòng chảy trong mạng lưới đường ống thoát nước, bao gồm các thiết bị như máy bơm, cửa van, đập tràn. Mô hình này xử lý dòng chảy có áp và tự do, biên sử dụng là dòng chảy lưu vực và mực nước tại cửa ra.

  • Mô hình kết hợp 1D-2D: Kết hợp mô hình 1 chiều cho hệ thống thoát nước với mô hình 2 chiều mô phỏng dòng chảy bề mặt, cho phép mô phỏng chính xác địa hình đô thị, các công trình kiến trúc và tính toán thủy động lực học dòng chảy đa hướng.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: mô hình số độ cao (DEM), lưu vực tập trung nước (Catchment), điểm tập trung nước (Nodes), đường ống thoát nước (Links), và kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5, RCP8.5.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp và phân tích số liệu thực địa kết hợp mô hình hóa thủy văn và thủy lực. Cỡ mẫu bao gồm dữ liệu khí tượng thủy văn từ các trạm Long Xuyên và Cái Sao, số liệu địa hình DEM, hệ thống thoát nước hiện trạng, và các trận ngập lịch sử. Phương pháp chọn mẫu dựa trên dữ liệu quan trắc liên tục và đại diện cho khu vực nghiên cứu.

Phân tích số liệu bao gồm thống kê lượng mưa thiết kế, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình dựa trên các trận mưa thực tế trong giai đoạn 2020-2022. Mô hình MIKE URBAN được thiết lập với các thông số kỹ thuật của hệ thống thoát nước, mạng lưới kênh rạch, và địa hình chi tiết. Các kịch bản biến đổi khí hậu được xây dựng dựa trên kịch bản của Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2020, gồm kịch bản nền, kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 cho giai đoạn giữa thế kỷ (2046-2065).

Phương pháp viễn thám và GIS được áp dụng để xử lý dữ liệu ảnh vệ tinh Sentinel, xây dựng bản đồ ngập lụt và phân tích không gian. Khảo sát thực địa được tiến hành để xác định cao độ hệ thống thoát nước, kiểm tra các điểm ngập và thu thập thông tin vận hành hệ thống.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2020 đến 2022, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, thiết lập mô hình, hiệu chỉnh, kiểm định và xây dựng bản đồ ngập lụt theo các kịch bản biến đổi khí hậu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình: Mô hình MIKE URBAN được hiệu chỉnh và kiểm định với các trận mưa ngày 28/9/2022, 21/10/2021 và 6/11/2021 cho thấy độ sâu ngập tính toán tương quan chặt chẽ với số liệu thực đo, với sai số trung bình dưới 10%. Các chỉ số thống kê như hệ số Nash-Sutcliffe đều đạt giá trị trên 0,8, chứng tỏ mô hình có độ tin cậy cao.

  2. Bản đồ ngập lụt theo kịch bản biến đổi khí hậu: Kịch bản nền cho thấy diện tích ngập lớn nhất vào tháng 10/2021 với độ sâu ngập trung bình từ 0,2 đến 0,5 m tại các phường Mỹ Phước, Mỹ Xuyên và Mỹ Bình. Kịch bản RCP4.5 dự báo diện tích ngập tăng khoảng 15% so với kịch bản nền, trong khi kịch bản RCP8.5 dự báo tăng khoảng 30%, với độ sâu ngập có thể vượt 1 m tại các điểm ngập nặng.

  3. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu: Lượng mưa theo kịch bản biến đổi khí hậu tăng từ 10% đến 25% tùy theo kịch bản, kết hợp với nước biển dâng từ 20 đến 40 cm làm giảm khả năng tiêu thoát nước, gây ngập lụt kéo dài và sâu hơn. Mực nước đỉnh lũ tại Long Xuyên theo kịch bản RCP8.5 có thể tăng thêm 0,3 m so với hiện trạng.

  4. Nguyên nhân ngập úng: Ngoài yếu tố khí tượng thủy văn, nguyên nhân chính là do hệ thống thoát nước chưa đồng bộ, nhiều tuyến cống có kích thước nhỏ, độ sâu chôn cống không đồng đều, cùng với tốc độ đô thị hóa nhanh làm tăng diện tích bề mặt không thấm nước. Rác thải sinh hoạt và các hoạt động dân sinh cũng làm tắc nghẽn hệ thống thoát nước.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô hình cho thấy sự gia tăng rõ rệt diện tích và độ sâu ngập lụt trong các kịch bản biến đổi khí hậu, phù hợp với xu hướng biến đổi khí hậu toàn cầu và các nghiên cứu trong khu vực ĐBSCL. Việc sử dụng mô hình thủy văn đô thị 2 chiều MIKE URBAN kết hợp dữ liệu thực địa và viễn thám giúp mô phỏng chính xác quá trình ngập lụt, thể hiện qua các biểu đồ tương quan độ sâu ngập thực đo và tính toán.

So sánh với các nghiên cứu tại Hà Nội và thành phố Hà Tĩnh, nguyên nhân ngập lụt tại Long Xuyên cũng tương tự, tập trung vào yếu tố hạ tầng thoát nước chưa đồng bộ và tác động của biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, đặc thù địa hình thấp và ảnh hưởng thủy triều tại Long Xuyên làm cho tình trạng ngập lụt có tính chất phức tạp hơn, đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật và quản lý phù hợp.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp bản đồ ngập lụt chi tiết theo các kịch bản biến đổi khí hậu, làm cơ sở khoa học cho việc quy hoạch, nâng cấp hệ thống thoát nước và xây dựng các chính sách ứng phó hiệu quả, góp phần giảm thiểu thiệt hại kinh tế và xã hội do ngập lụt gây ra.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp hệ thống thoát nước: Tăng kích thước và đồng bộ hóa các tuyến cống thoát nước, đặc biệt tại các điểm ngập nặng như phường Mỹ Phước, Mỹ Xuyên và Mỹ Bình. Thời gian thực hiện trong vòng 3-5 năm, do Sở Xây dựng và UBND thành phố chủ trì.

  2. Xây dựng trạm bơm và hệ thống van ngăn triều: Lắp đặt các trạm bơm tại các vị trí trọng yếu để tăng khả năng tiêu thoát nước trong mùa mưa và triều cường, đồng thời lắp đặt hệ thống van ngăn triều tại cửa xả để ngăn nước biển dâng tràn vào hệ thống thoát nước. Thời gian thực hiện 2-4 năm, phối hợp giữa ngành thủy lợi và địa phương.

  3. Ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám: Triển khai hệ thống giám sát ngập lụt thời gian thực dựa trên công nghệ GIS và dữ liệu vệ tinh để cảnh báo sớm và quản lý ngập lụt hiệu quả. Chủ thể thực hiện là Trung tâm Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Bộ, trong vòng 1-2 năm.

  4. Tuyên truyền nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình giáo dục, tuyên truyền về tác động của biến đổi khí hậu và cách phòng chống ngập lụt, đồng thời vận động người dân không xả rác bừa bãi làm tắc nghẽn hệ thống thoát nước. Thời gian liên tục, do các tổ chức xã hội và chính quyền địa phương phối hợp thực hiện.

  5. Quy hoạch sử dụng đất hợp lý: Hạn chế phát triển đô thị trên các vùng trũng thấp, ưu tiên phát triển các khu vực có cao độ mặt đất cao hơn, đồng thời phát triển các công trình xanh như hồ điều hòa, công viên thấm nước để giảm áp lực thoát nước. Chủ thể là Sở Quy hoạch – Kiến trúc và UBND thành phố, thực hiện trong 5-10 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý đô thị và môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để lập kế hoạch nâng cấp hệ thống thoát nước, xây dựng chính sách ứng phó biến đổi khí hậu và phòng chống ngập lụt hiệu quả.

  2. Các nhà nghiên cứu và học giả trong lĩnh vực thủy văn, biến đổi khí hậu: Tham khảo phương pháp mô hình hóa thủy văn đô thị 2 chiều kết hợp GIS, viễn thám và dữ liệu thực địa để phát triển các nghiên cứu tiếp theo.

  3. Các nhà quy hoạch và kỹ sư xây dựng: Áp dụng bản đồ ngập lụt và các kịch bản biến đổi khí hậu trong thiết kế hạ tầng kỹ thuật, quy hoạch đô thị bền vững, giảm thiểu rủi ro ngập úng.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức xã hội: Nâng cao nhận thức về tác động của biến đổi khí hậu và vai trò của cộng đồng trong việc bảo vệ môi trường, duy trì hệ thống thoát nước sạch sẽ, góp phần giảm thiểu ngập lụt.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình MIKE URBAN có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
    MIKE URBAN kết hợp mô hình thủy văn và thủy lực 1D-2D, cho phép mô phỏng chính xác dòng chảy trong hệ thống thoát nước và trên bề mặt đô thị, đồng thời tích hợp GIS giúp phân tích không gian hiệu quả.

  2. Các kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 và RCP8.5 khác nhau như thế nào?
    RCP4.5 là kịch bản nồng độ khí nhà kính trung bình thấp, trong khi RCP8.5 là kịch bản cao, phản ánh mức phát thải khí nhà kính cao hơn, dẫn đến tác động biến đổi khí hậu nghiêm trọng hơn.

  3. Tại sao cần kết hợp mô hình 1D và 2D trong mô phỏng ngập lụt đô thị?
    Mô hình 1D mô phỏng dòng chảy trong hệ thống cống, còn mô hình 2D mô phỏng dòng chảy tràn trên bề mặt, kết hợp giúp mô phỏng toàn diện quá trình ngập lụt trong đô thị phức tạp.

  4. Làm thế nào để dữ liệu viễn thám hỗ trợ nghiên cứu ngập lụt?
    Dữ liệu viễn thám cung cấp thông tin diện tích ngập, độ sâu và thời gian ngập lụt qua ảnh vệ tinh, giúp hiệu chỉnh mô hình và xây dựng bản đồ ngập lụt chính xác.

  5. Giải pháp nào ưu tiên để giảm thiểu ngập lụt tại Long Xuyên?
    Ưu tiên nâng cấp hệ thống thoát nước, xây dựng trạm bơm và van ngăn triều, kết hợp với quản lý sử dụng đất và nâng cao nhận thức cộng đồng để giảm thiểu ngập lụt hiệu quả.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã thành công trong việc ứng dụng mô hình thủy văn đô thị 2 chiều MIKE URBAN để xây dựng bản đồ ngập lụt cho thành phố Long Xuyên theo các kịch bản biến đổi khí hậu.
  • Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định với độ chính xác cao, phản ánh đúng thực trạng ngập lụt và dự báo được xu hướng gia tăng ngập lụt trong tương lai.
  • Biến đổi khí hậu làm tăng lượng mưa và mực nước đỉnh lũ, gây áp lực lớn lên hệ thống thoát nước hiện tại, đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật và quản lý đồng bộ.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cấp hạ tầng, ứng dụng công nghệ GIS, tuyên truyền cộng đồng và quy hoạch sử dụng đất nhằm giảm thiểu rủi ro ngập lụt.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho các nhà quản lý, kỹ sư và cộng đồng trong công tác phòng chống ngập lụt và thích ứng với biến đổi khí hậu tại Long Xuyên.

Tiếp theo, cần triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời mở rộng nghiên cứu áp dụng mô hình cho các khu vực khác trong ĐBSCL để nâng cao hiệu quả quản lý ngập lụt toàn vùng. Đề nghị các cơ quan liên quan phối hợp thực hiện và cập nhật dữ liệu thường xuyên để nâng cao độ chính xác mô hình.