Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Trung Trung Bộ Việt Nam, bao gồm các tỉnh từ Quảng Bình đến Quảng Ngãi, có dân số khoảng 7 triệu người và đặc điểm địa hình hẹp, dốc, giáp biển Đông, chịu ảnh hưởng mạnh của các hiện tượng khí tượng thủy văn như bão, áp thấp nhiệt đới và không khí lạnh. Lượng mưa trung bình hàng năm dao động từ 2.000 đến 4.000 mm, với các trận mưa lớn có thể lên tới trên 700 mm/ngày tại một số địa phương như Tiên Phước, Khâm Đức, Quảng Ngãi. Đặc biệt, các trận mưa lớn trong tháng 9 đến tháng 12 hàng năm thường gây ra lũ lụt nghiêm trọng, ảnh hưởng đến đời sống và sản xuất của người dân.

Việc tính toán mưa lũ thiết kế là nhiệm vụ quan trọng trong thủy văn học, phục vụ cho thiết kế các công trình thủy lợi, giao thông và quản lý tài nguyên nước. Tuy nhiên, hiện nay các công cụ tính toán mưa lũ thiết kế tại Việt Nam, đặc biệt cho khu vực Trung Trung Bộ, còn nhiều hạn chế do dữ liệu đo đạc thủy văn chưa đầy đủ, mạng lưới trạm đo mưa thưa thớt, và các quy phạm tính toán còn lạc hậu, chưa cập nhật phù hợp với đặc điểm khí hậu và địa hình khu vực.

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu xây dựng bộ công cụ hỗ trợ tính toán mưa lũ thiết kế cho khu vực Trung Trung Bộ, bao gồm xây dựng bản đồ đẳng trị mưa thời đoạn ngắn, thiết lập đường cong quan hệ cường độ - thời đoạn - tần suất (IDF), xây dựng công thức tổng quát mô tả quan hệ cường độ mưa với chu kỳ lặp lại, nhằm nâng cao độ chính xác và tin cậy trong tính toán thủy văn thiết kế. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên 6 tỉnh duyên hải miền Trung từ Quảng Bình đến Quảng Ngãi, với dữ liệu thu thập từ 65 trạm đo mưa trong giai đoạn 1980-2018.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn, góp phần hoàn thiện phương pháp tính toán mưa lũ thiết kế, hỗ trợ công tác quy hoạch, thiết kế và quản lý tài nguyên nước, giảm thiểu thiệt hại do thiên tai tại khu vực Trung Trung Bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy văn học liên quan đến tính toán mưa lũ thiết kế, trong đó trọng tâm là:

  • Phân tích tần suất (Phân tích xác suất): Sử dụng các hàm phân phối xác suất (HPPXS) như hàm cực trị tổng quát (GEV), hàm Gumbel, Pearson III, Log-Pearson II để xác định cường độ mưa thiết kế ứng với các chu kỳ lặp lại khác nhau.

  • Mô hình quan hệ cường độ - thời đoạn - tần suất (IDF): Thiết lập đường cong IDF mô tả mối quan hệ giữa cường độ mưa, thời gian mưa và chu kỳ lặp lại, là công cụ quan trọng trong tính toán thủy văn thiết kế.

  • Bản đồ đẳng trị mưa và phân vùng mưa: Sử dụng kỹ thuật GIS và nội suy IDW để xây dựng bản đồ phân bố cường độ mưa theo không gian, phục vụ phân vùng mưa và lựa chọn trạm đại diện.

  • Đường cong lũy tích mưa 24 giờ: Mô tả phân bố thời gian của lượng mưa trong các trận mưa lớn, phục vụ mô phỏng dòng chảy lũ và thiết kế công trình chứa nước.

Các khái niệm chính bao gồm: cường độ mưa (mm/h), thời đoạn mưa (phút, giờ), chu kỳ lặp lại (năm), tần suất vượt (xác suất), hàm phân phối xác suất, sai số quân phương (RMSE), và phương pháp nội suy không gian.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là số liệu đo mưa ngày, mưa giờ và mưa 15 phút từ 65 trạm khí tượng thủy văn khu vực Trung Trung Bộ, thu thập trong giai đoạn 1980-2018, trong đó số liệu mưa giờ và 15 phút đầy đủ từ năm 2010 đến 2018. Cỡ mẫu lớn và phân bố đều trên toàn vùng giúp đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích tần suất xác suất (PTTS): Xây dựng đường tần suất kinh nghiệm và lý luận cho các chuỗi dữ liệu mưa lớn nhất theo thời đoạn, lựa chọn hàm phân phối xác suất phù hợp dựa trên tiêu chí sai số và độ phù hợp.

  • Xây dựng bản đồ đẳng trị mưa: Sử dụng phần mềm ArcGIS với phương pháp nội suy khoảng cách nghịch đảo (IDW) để xây dựng bản đồ phân bố cường độ mưa theo các tần suất thiết kế và thời đoạn khác nhau, kết hợp hiệu chỉnh thủ công dựa trên đặc điểm địa hình.

  • Thiết lập công thức IDF tổng quát: So sánh và lựa chọn trong 4 công thức kinh nghiệm phổ biến (Talbot, Bernard, Kimijima, Sherman) dựa trên sai số RMSE và hệ số tương quan, sau đó xây dựng công thức tổng quát mô tả quan hệ cường độ mưa với thời đoạn và chu kỳ lặp lại cho từng phân vùng mưa.

  • Xây dựng đường cong lũy tích mưa 24 giờ: Lựa chọn các trận mưa điển hình có phân bố bất lợi từ chuỗi số liệu mưa giờ, vẽ đường cong lũy tích tỷ lệ lượng mưa theo thời gian, phục vụ mô phỏng dòng chảy lũ.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2017 đến 2019, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, phân tích thống kê, xây dựng mô hình và kiểm định kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định hàm phân phối xác suất phù hợp: Qua phân tích chuỗi số liệu mưa lớn nhất theo thời đoạn, hàm GEV và Pearson III cho kết quả phù hợp nhất với sai số RMSE trung bình dưới 5%, trong khi các hàm Gumbel và Log-Pearson II có sai số cao hơn khoảng 7-10%.

  2. Bản đồ đẳng trị mưa thời đoạn ngắn: Bản đồ đẳng trị mưa 1 giờ và 1 ngày lớn nhất thiết kế được xây dựng cho khu vực Trung Trung Bộ, thể hiện rõ sự phân bố không đồng đều với lượng mưa 1 ngày thiết kế dao động từ 200 đến trên 800 mm, tập trung chủ yếu ở vùng núi phía Tây tỉnh Thừa Thiên Huế và Quảng Ngãi.

  3. Công thức IDF tổng quát: Công thức Talbot được lựa chọn làm cơ sở do có sai số RMSE thấp nhất (khoảng 3-4%) và hệ số tương quan cao (>0.95) khi mô phỏng quan hệ cường độ mưa - thời đoạn - chu kỳ lặp lại. Công thức tổng quát IDF được xây dựng cho từng trạm đại diện các phân vùng mưa, giúp mô hình hóa chính xác cường độ mưa thiết kế cho các chu kỳ lặp lại từ 2 đến 100 năm.

  4. Đường cong lũy tích mưa 24 giờ: Các đường cong lũy tích mưa 24 giờ cho thấy phân bố lượng mưa không đều theo thời gian, với khoảng 30-40% lượng mưa tập trung trong 6 giờ đầu của trận mưa lớn, đặc biệt trong các trận mưa do bão kết hợp không khí lạnh. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong mô phỏng dòng chảy lũ và thiết kế công trình chứa nước.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự phù hợp cao của hàm GEV và công thức Talbot là do khả năng mô tả tốt các giá trị cực đoan trong chuỗi số liệu mưa, phù hợp với đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa và địa hình phức tạp của khu vực. So sánh với các nghiên cứu trước đây tại miền Bắc và đồng bằng sông Hồng, kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt về phân bố mưa và đặc tính tần suất, đòi hỏi phải có công cụ tính toán riêng biệt cho Trung Trung Bộ.

Bản đồ đẳng trị mưa và phân vùng mưa được xây dựng dựa trên dữ liệu đo đạc mới nhất, cải thiện đáng kể so với các bản đồ cũ từ thập niên 70, giúp nâng cao độ chính xác trong tính toán thủy văn thiết kế. Đường cong lũy tích mưa 24 giờ cung cấp thông tin chi tiết về phân bố thời gian lượng mưa, hỗ trợ thiết kế các công trình thủy lợi và phòng chống lũ lụt hiệu quả hơn.

Dữ liệu và kết quả có thể được trình bày qua các biểu đồ đường cong IDF, bản đồ đẳng trị mưa, bảng tham số công thức IDF và biểu đồ đường cong lũy tích mưa 24 giờ, giúp trực quan hóa và dễ dàng ứng dụng trong thực tiễn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công thức IDF tổng quát Talbot cho tính toán mưa lũ thiết kế: Khuyến nghị các cơ quan quản lý và thiết kế công trình thủy lợi, giao thông tại khu vực Trung Trung Bộ sử dụng công thức này để nâng cao độ chính xác và đồng bộ trong tính toán, áp dụng trong vòng 1-2 năm tới.

  2. Cập nhật và sử dụng bản đồ đẳng trị mưa thời đoạn ngắn mới: Các đơn vị quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai cần áp dụng bản đồ đẳng trị mưa được xây dựng để cải thiện dự báo và quy hoạch, đặc biệt trong các dự án phát triển hạ tầng, thời gian triển khai trong 1 năm.

  3. Phát triển phần mềm công cụ hỗ trợ tính toán mưa lũ thiết kế: Xây dựng phần mềm tích hợp các công thức, bản đồ và dữ liệu mưa để hỗ trợ kỹ sư và nhà quản lý trong việc tính toán nhanh chóng, chính xác, dự kiến hoàn thành trong 2 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học chủ trì.

  4. Tăng cường mạng lưới quan trắc mưa tự ghi thời đoạn ngắn: Đề xuất bổ sung trạm đo mưa tự ghi tại các vùng núi cao và lưu vực nhỏ để nâng cao chất lượng dữ liệu, phục vụ cập nhật công cụ tính toán trong tương lai, thực hiện trong 3-5 năm, do Bộ Tài nguyên và Môi trường phối hợp với địa phương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu thủy văn và khí tượng: Luận văn cung cấp phương pháp và dữ liệu cập nhật về tính toán mưa lũ thiết kế, hỗ trợ nghiên cứu chuyên sâu về biến đổi khí hậu và quản lý tài nguyên nước.

  2. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi, giao thông: Công thức và bản đồ đẳng trị mưa giúp thiết kế các công trình phù hợp với đặc điểm khí hậu và địa hình khu vực, giảm thiểu rủi ro do thiên tai.

  3. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai: Công cụ hỗ trợ dự báo, quy hoạch và ứng phó với lũ lụt, nâng cao hiệu quả quản lý và giảm thiểu thiệt hại.

  4. Các trường đại học và viện đào tạo chuyên ngành thủy văn, môi trường: Tài liệu tham khảo quý giá cho giảng dạy và nghiên cứu sinh viên, giúp cập nhật kiến thức thực tiễn và phương pháp hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần xây dựng công thức IDF riêng cho khu vực Trung Trung Bộ?
    Khu vực có đặc điểm địa hình hẹp, dốc, khí hậu nhiệt đới gió mùa với lượng mưa lớn và phân bố không đồng đều. Công thức IDF hiện hành chủ yếu dựa trên dữ liệu miền Bắc hoặc đồng bằng sông Hồng, không phản ánh chính xác đặc điểm mưa của Trung Trung Bộ, dẫn đến sai số trong tính toán thủy văn thiết kế.

  2. Hàm phân phối xác suất nào phù hợp nhất để tính toán cường độ mưa thiết kế?
    Hàm cực trị tổng quát (GEV) và Pearson III được xác định là phù hợp nhất với sai số thấp và khả năng mô tả tốt các giá trị cực đoan trong chuỗi số liệu mưa lớn nhất theo thời đoạn.

  3. Bản đồ đẳng trị mưa có vai trò gì trong tính toán mưa lũ thiết kế?
    Bản đồ giúp xác định phân bố không gian của cường độ mưa thiết kế, hỗ trợ phân vùng mưa, lựa chọn trạm đại diện và nâng cao độ chính xác trong mô hình hóa thủy văn, đặc biệt ở các vùng thiếu dữ liệu đo đạc.

  4. Đường cong lũy tích mưa 24 giờ được sử dụng như thế nào?
    Đường cong này mô tả phân bố thời gian lượng mưa trong trận mưa lớn, giúp mô phỏng dòng chảy lũ, thiết kế công trình chứa nước và đánh giá nguy cơ lũ lụt theo thời gian.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn?
    Các cơ quan và đơn vị thiết kế có thể sử dụng công thức IDF tổng quát và bản đồ đẳng trị mưa để tính toán mưa lũ thiết kế chính xác hơn. Đồng thời, phát triển phần mềm hỗ trợ tính toán và tăng cường mạng lưới quan trắc sẽ giúp cập nhật và áp dụng hiệu quả trong quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công bộ công cụ hỗ trợ tính toán mưa lũ thiết kế cho khu vực Trung Trung Bộ, bao gồm bản đồ đẳng trị mưa, công thức IDF tổng quát và đường cong lũy tích mưa 24 giờ.
  • Hàm phân phối xác suất GEV và công thức Talbot được lựa chọn làm cơ sở tính toán do độ chính xác và phù hợp cao với đặc điểm khu vực.
  • Bản đồ đẳng trị mưa thể hiện rõ sự phân bố không đồng đều của lượng mưa thiết kế, đặc biệt tại vùng núi phía Tây các tỉnh Thừa Thiên Huế và Quảng Ngãi.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao độ tin cậy trong tính toán thủy văn thiết kế, hỗ trợ công tác quy hoạch và phòng chống thiên tai.
  • Đề xuất triển khai áp dụng công cụ trong thiết kế công trình, phát triển phần mềm hỗ trợ và tăng cường mạng lưới quan trắc để cập nhật dữ liệu trong tương lai.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo về mô phỏng dòng chảy lũ dựa trên dữ liệu mưa thiết kế mới, đồng thời khuyến khích các cơ quan liên quan áp dụng kết quả để nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước và giảm thiểu thiệt hại do thiên tai tại khu vực Trung Trung Bộ.