Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Thu Bồn là một trong những hệ thống sông lớn nhất khu vực duyên hải miền Trung với tổng diện tích lưu vực đạt 4.256 km², bao phủ phần lớn địa bàn tỉnh Quảng Nam và vùng hạ lưu giáp thành phố Đà Nẵng. Do nằm trọn ở sườn Đông dãy Trường Sơn với địa hình núi đồi chiếm trên 60% diện tích và độ dốc bình quân lên tới 25%, dòng chảy tại đây có mức độ tập trung nước cực nhanh và cường suất lũ rất lớn. Lượng mưa trung bình năm phân bố không đều, tập trung tại các tâm mưa lớn như Trà My hay Bạch Mã với lượng mưa vượt 3.000 mm mỗi năm. Hàng năm, khu vực này hứng chịu từ 4 đến 5 trận lũ lớn, trong đó 55% nguyên nhân bắt nguồn từ hoàn lưu bão nhiệt đới và 23% xuất phát từ sự kết hợp của không khí lạnh tăng cường, gây ra những trận ngập úng lịch sử đe dọa nghiêm trọng tính mạng và tài sản của hàng triệu người dân hạ du.

Vấn đề cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá định lượng sự biến đổi của chế độ thủy văn và dòng chảy lũ dưới sự tác động của hệ thống công trình thủy lợi, thủy điện, tiêu biểu là hồ thủy điện Sông Tranh 2 với dung tích toàn bộ 733,4 triệu m³ và công suất lắp máy 190 MW. Mục tiêu cụ thể là khôi phục dòng chảy tự nhiên và mô phỏng chi tiết quá trình điều tiết cắt giảm lũ của hồ chứa trong các kịch bản thời tiết cực đoan. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên toàn bộ lưu vực sông Thu Bồn từ thượng nguồn miền núi đến trạm thủy văn Nông Sơn và đồng bằng ven biển Câu Lâu, Hội An. Nghiên cứu sử dụng chuỗi số liệu đo đạc thực tế của các trận lũ lịch sử giai đoạn 1998–2013. Kết quả luận văn đóng vai trò là cơ sở khoa học vững chắc giúp giảm thiểu từ 15% đến 25% rủi ro ngập lụt hạ du, hỗ trợ trực tiếp cho các nhà hoạch định chính sách xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa tối ưu và nâng cao năng lực ứng phó thiên tai tại địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hai nền tảng lý thuyết thủy văn và thủy lực hiện đại gồm:

  1. Lý thuyết cân bằng nước lưu vực và mô hình nhận thức dòng chảy NAM (Nedbør-Afstrømnings-Model): Mô hình NAM thuộc dạng mô hình toán tất định, nhận thức và gộp, được xây dựng dựa trên nguyên lý chuỗi 5 bể chứa thẳng đứng (bao gồm bể chứa tuyết tan, bể chứa mặt đất $U_{max}$, bể chứa tầng rễ cây $L_{max}$, và 2 bể chứa nước ngầm tầng trên - tầng dưới) kết hợp cùng 2 bể chứa tuyến tính nằm ngang. Khung lý thuyết này cho phép mô phỏng chính xác sự chuyển hóa từ mưa thành dòng chảy tràn ($Q_{OF}$), dòng chảy sát mặt ($Q_{IF}$) và dòng chảy ngầm ($BF$).
  2. Lý thuyết điều tiết hồ chứa và truyền sóng lũ thủy lực kênh hở: Ứng dụng hệ phương trình cân bằng dung tích và lưu lượng xả qua công trình thủy công kết hợp phương pháp giải số Runge-Kutta để xác định quá trình tháo nước hồ chứa. Đồng thời, mô hình tích hợp phương pháp diễn toán dòng chảy Muskingum phi tuyến để mô tả quá trình truyền triều và lan truyền sóng lũ dọc theo mạng lưới sông chính từ thượng nguồn xuống hạ lưu.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt bao gồm: Dung tích hữu ích ($W_{hi}$), dung tích phòng lũ, mực nước đón lũ (MNĐL), mực nước dâng bình thường (MNDBT), cường suất lũ đỉnh và hệ số hiệu quả mô hình Nash-Sutcliffe ($R^2$).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào được thu thập và xử lý đồng bộ từ hệ thống mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn gồm 12 trạm đo mưa chuyên dùng (tiêu biểu như Trà My, Khâm Đức, Hiệp Đức, Tiên Phước), 2 trạm khí tượng đại diện (Đà Nẵng cho đồng bằng và Trà My cho miền núi), cùng 5 trạm thủy văn chính trên lưu vực (Nông Sơn, Giao Thủy, Câu Lâu, Vĩnh Điện, Hội An). Số liệu đặc tính kỹ thuật công trình được trích xuất chi tiết từ hồ sơ thiết kế hồ thủy điện Sông Tranh 2 với diện tích lưu vực hứng nước khống chế $F_{lv} = 1.100\text{ km}^2$.

Phương pháp chọn mẫu nghiên cứu tập trung vào việc sàng lọc 5 trận lũ đặc biệt lớn điển hình qua các mốc thời gian (tháng 11/1998, tháng 11/1999, tháng 11/2007, tháng 10/2012 và tháng 11/2013) với tổng lượng mưa toàn đợt dao động từ 600 mm đến trên 1.290 mm. Toàn bộ diện tích lưu vực khống chế tới trạm Nông Sơn (khoảng 2.250 km²) được phân chia thành các tiểu lưu vực con dựa trên mô hình số hóa độ cao DEM trên nền tảng hệ thông tin địa lý ArcGIS. Trọng số mưa của từng trạm được xác định chính xác thông qua phương pháp đa giác Thiessen.

Lý do lựa chọn phương pháp mô hình hóa toán học (kết hợp mã nguồn FORTRAN mô phỏng NAM và phần mềm HEC-RESSIM) thay vì phân tích thống kê thuần túy là do hồ Sông Tranh 2 mới đi vào vận hành từ năm 2011, khiến chuỗi dữ liệu thực đo sau khi có hồ quá ngắn (dưới 5 trận lũ). Việc áp dụng mô hình toán cho phép hoàn nguyên chuỗi dòng chảy tự nhiên theo bước thời gian chi tiết 2 giờ, phục vụ so sánh đối chứng khách quan giữa trường hợp có và không có công trình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng, hiệu chỉnh và kiểm định dòng chảy trên lưu vực sông Thu Bồn đã mang lại các phát hiện khoa học quan trọng:

  • Độ chính xác vượt trội của mô hình hoàn nguyên thủy văn: Kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM cho trận lũ tháng 10/2010 đạt chỉ số Nash-Sutcliffe $R^2 = 73,79%$, và kết quả kiểm định độc lập cho trận lũ lớn tháng 09/2009 đạt $R^2 = 72,10%$ tại trạm Nông Sơn. Cả hai chỉ số đều đạt mức khá theo tiêu chuẩn quốc tế, bảo đảm độ tin cậy để tái lập dòng chảy tự nhiên.
  • Năng lực cắt giảm đỉnh lũ rõ rệt của hồ Sông Tranh 2: Kết quả hoàn nguyên dòng chảy hai trận lũ lớn tháng 10/2012 và tháng 11/2013 cho thấy khi hồ chứa duy trì nghiêm ngặt dung tích phòng lũ hữu ích $521,1 \times 10^6\text{ m}^3$ ở mực nước đón lũ, lưu lượng đỉnh lũ thực đo tại trạm Nông Sơn giảm từ 12% đến 18% so với đỉnh lũ tự nhiên chưa có hồ.
  • Hiệu quả điều tiết chậm lũ hạ du trong trận lũ lịch sử: Mô phỏng kịch bản vận hành hồ cho trận lũ cực đoan năm 2007 qua phần mềm HEC-RESSIM chứng minh hồ chứa giúp làm chậm thời gian xuất hiện đỉnh lũ tại hạ lưu từ 4 đến 6 giờ, đồng thời hạ thấp mực nước lũ tại trạm Giao Thủy và Câu Lâu khoảng 0,35 m đến 0,55 m.
  • Đặc thù điều tiết của hệ thống 73 hồ chứa vừa và nhỏ: Thống kê cho thấy trong số 73 hồ thủy lợi toàn tỉnh với tổng lượng trữ 500 triệu m³, có tới 44 hồ dung tích dưới 1 triệu m³ và chỉ 9 hồ trên 3 triệu m³. Do đặc điểm xả tràn tự do và dung tích hạn chế, hệ thống hồ này chỉ có tác dụng cắt lũ đầu vụ và hầu như mất khả năng dung nạp nước khi lũ chính vụ kéo dài từ cuối tháng 10 đến tháng 11.

Thảo luận kết quả

Các kết quả nghiên cứu có thể được trực quan hóa sinh động qua các đường biểu đồ hydrograph (đường quá trình lưu lượng $Q-t$) so sánh giữa dòng chảy thực đo và dòng chảy hoàn nguyên, cùng bảng tương quan quan hệ mực nước - diện tích - dung tích ($Z-F-W$) của hồ chứa. Đường tần suất dòng chảy lũ tại trạm Nông Sơn với các mức tần suất $P = 0,1%$ ($15.707\text{ m}^3/\text{s}$), $P = 0,5%$ ($13.579\text{ m}^3/\text{s}$) và $P = 1%$ ($12.620\text{ m}^3/\text{s}$) đã phản ánh rõ rệt quy luật suy giảm biên độ lũ cực đại sau khi có công trình cắt lũ.

Nguyên nhân chính giúp hồ Sông Tranh 2 phát huy vai trò cắt lũ là nhờ vị trí nằm ở thượng nguồn hiểm trở, kiểm soát tới 1.100 km² (chiếm gần 49% diện tích lưu vực khống chế của trạm Nông Sơn). Tuy nhiên, nguyên nhân vùng hạ lưu như Đại Lộc, Duy Xuyên, Điện Bàn và thành phố Hội An vẫn bị ngập sâu trong các trận lũ kép (như trận lũ 5 đỉnh năm 1999 hay trận lũ năm 2007) là do lượng mưa khu giữa bên dưới hồ quá lớn, kết hợp với mật độ mạng lưới sông hạ du đạt 0,57 km/km² và ảnh hưởng của thủy triều dâng cản trở thoát nước ra biển Cửa Đại. So sánh với các nghiên cứu thủy văn tương tự tại các lưu vực sông miền Trung (như sông Ba, sông Hương), kết quả này khẳng định hồ thủy điện chỉ phát huy hiệu quả giảm lũ cao nhất khi được vận hành chủ động theo kịch bản dự báo mưa thời gian thực.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm tối ưu hóa hiệu quả cắt giảm lũ và bảo đảm an toàn hạ du sông Thu Bồn, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp cụ thể:

  1. Hiệu chỉnh quy trình vận hành liên hồ chứa theo thời gian thực: Ban Chỉ đạo Phòng chống thiên tai tỉnh Quảng Nam cùng Bộ Nông nghiệp và Môi trường cần yêu cầu chủ hồ hạ thấp mực nước hồ Sông Tranh 2 về mực nước đón lũ (thấp hơn mực nước dâng bình thường từ 2 đến 4 mét) trước khi có bão đổ bộ từ 24 đến 48 giờ. Mục tiêu nâng tỷ lệ cắt giảm lưu lượng đỉnh lũ cho vùng đồng bằng lên 20 - 25%, triển khai thực hiện ngay trong giai đoạn 2024–2025.
  2. Hiện đại hóa mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn tự động: Trung tâm Mạng lưới Khí tượng Thủy văn Quốc gia phối hợp chính quyền địa phương đầu tư lắp đặt bổ sung 15 trạm đo mưa tự động tại các vùng giáp ranh đồi núi và 4 trạm đo mực nước tự động truyền dữ liệu vệ tinh với chu kỳ cập nhật 15–30 phút/lần, hoàn thành trước quý IV năm 2025.
  3. Kiên cố hóa và cải tạo công nghệ xả lũ cho 55 đập hồ thủy lợi vừa và nhỏ: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Quảng Nam triển khai nâng cấp cửa van điều tiết cho 9 hồ chứa dung tích trên 3 triệu m³ (như hồ Phú Lộc, Thạch Bàn, Phước Hà), chuyển đổi từ xả tự do sang xả có kiểm soát, bảo đảm 100% hồ đập đạt tiêu chuẩn an toàn đập lớn trước năm 2026.
  4. Tích hợp mô hình số HEC-RESSIM và MIKE vào hệ thống cảnh báo sớm ngập lụt: Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai địa phương chuyển giao công nghệ mô phỏng số vào quy trình điều hành trực tuyến, số hóa bản đồ cảnh báo ngập lụt chi tiết cho các đô thị Hội An, Vĩnh Điện, giảm thiểu 35 - 40% thiệt hại kinh tế do lũ lụt gây ra giai đoạn 2025–2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng sau:

  1. Cán bộ quản lý và kỹ sư vận hành nhà máy thủy điện, hồ chứa thủy lợi: Cung cấp công cụ tính toán điều tiết cân bằng nước, thuật toán lặp xác định cột nước hữu ích và lưu lượng xả qua tuabin, hỗ trợ trực tiếp việc xây dựng biểu đồ điều phối hồ chứa hàng năm.
  2. Kỹ sư quy hoạch tài nguyên nước và chuyên gia tư vấn thiết kế công trình: Ứng dụng quy trình thiết lập mô hình thủy văn NAM trên FORTRAN và phương pháp xác định trọng số đa giác Thiessen để tính toán thủy văn cho các lưu vực sông dốc vùng duyên hải.
  3. Cơ quan quản lý nhà nước và ban chỉ huy phòng chống thiên tai cấp tỉnh, huyện: Sử dụng các kịch bản mô phỏng dòng chảy lũ và dữ liệu hoàn nguyên thực tế để quy hoạch vùng thoát lũ, xây dựng phương án sơ tán dân cư an toàn tại các điểm xung yếu dọc sông Thu Bồn.
  4. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Thủy văn học, Quản lý tài nguyên nước: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp hoàn nguyên dòng chảy, ứng dụng chỉ số Nash-Sutcliffe trong hiệu chỉnh mô hình và tích hợp mô hình HEC-RESSIM trong nghiên cứu học thuật.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nghiên cứu phải dùng phương pháp mô hình hóa thay vì phương pháp thống kê truyền thống? Phương pháp thống kê chuỗi thời gian đòi hỏi dãy số liệu quan trắc dài tối thiểu 15–20 năm sau khi xây đập. Do hồ thủy điện Sông Tranh 2 mới tích nước vận hành từ năm 2011 nên chỉ có 5 trận lũ đo đạc, không đủ điều kiện phân tích thống kê. Mô hình hóa giúp khôi phục dòng chảy tự nhiên khách quan với độ tin cậy Nash đạt trên 72%.

Hồ Sông Tranh 2 có khả năng giảm đỉnh lũ cho hạ du bao nhiêu phần trăm? Với dung tích toàn bộ 733,4 triệu m³ và dung tích hữu ích 521,1 triệu m³, hồ Sông Tranh 2 khống chế diện tích 1.100 km² ở thượng lưu. Khi vận hành đón lũ đúng quy trình, hồ có khả năng cắt giảm từ 12% đến 18% lưu lượng đỉnh lũ tại trạm Nông Sơn và hạ mực nước hạ lưu khoảng 0,35 - 0,55 m.

Mô hình thủy văn NAM mô phỏng dòng chảy từ mưa qua các thành phần nào? Mô hình NAM chia tách dòng chảy mưa thông qua chuỗi 5 bể chứa thẳng đứng gồm trữ bề mặt, tầng rễ cây và tầng ngầm. Dòng nước được tính toán phân lưu thành 3 thành phần chính: dòng chảy tràn mặt đất ($Q_{OF}$), dòng chảy sát mặt đất ($Q_{IF}$) và dòng chảy ngầm ($BF$), sau đó diễn toán qua bể tuyến tính đến cửa ra.

Vì sao vùng hạ lưu sông Thu Bồn vẫn bị ngập sâu dù có hồ thủy điện cắt lũ? Nguyên nhân là do diện tích lưu vực khu giữa hạ du đập Sông Tranh 2 còn rất lớn (khoảng 3.156 km²), kết hợp địa hình dốc 25% làm tập trung nhanh các đợt mưa cục bộ trên 1.000 mm. Thêm vào đó, sóng triều dâng cao từ biển Cửa Đại làm nghẽn dòng thoát, khiến mực nước lũ dâng cao.

Chỉ số Nash-Sutcliffe trong đánh giá mô hình NAM có ý nghĩa gì? Chỉ số Nash-Sutcliffe ($R^2$) đo lường mức độ tương thích giữa đường quá trình lưu lượng tính toán và số liệu thực đo. Luận văn đạt $R^2 = 73,79%$ khi hiệu chỉnh (năm 2010) và $72,10%$ khi kiểm định (năm 2009). Theo quy chuẩn quốc tế (65%–85% là loại khá), kết quả này khẳng định mô hình đủ độ tin cậy để hoàn nguyên dòng chảy.

Kết luận

  • Xây dựng thành công bộ thông số tối ưu cho mô hình thủy văn NAM trên lưu vực sông Thu Bồn với hệ số tin cậy Nash đạt trên 72%.
  • Lượng hóa chính xác năng lực điều tiết và cắt giảm 12% đến 18% lưu lượng đỉnh lũ của hồ thủy điện Sông Tranh 2 cho vùng hạ du.
  • Thiết lập hoàn chỉnh sơ đồ mạng lưới tính toán và mô phỏng điều tiết lũ đa kịch bản bằng phần mềm chuyên dụng HEC-RESSIM.
  • Đánh giá toàn diện hiện trạng và giới hạn kiểm soát lũ của hệ thống 73 hồ chứa thủy lợi vừa và nhỏ trên địa bàn tỉnh Quảng Nam.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp vận hành liên hồ chứa thời gian thực và hiện đại hóa mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn.

Đóng góp quan trọng nhất của luận văn là đã làm chủ phương pháp hoàn nguyên dòng chảy bằng mô hình toán, giải quyết triệt để bài toán thiếu hụt dữ liệu thủy văn sau khi xây dựng công trình trên sông Thu Bồn. Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung tích hợp dữ liệu viễn thám radar và mô hình thủy lực 2D để cảnh báo ngập lụt chi tiết đến từng ô phố giai đoạn 2025–2027. Kính mời các nhà khoa học, cơ quan quản lý và bạn đọc quan tâm tiếp tục nghiên cứu, ứng dụng những kết quả này vào công tác quản trị rủi ro thiên tai và phát triển bền vững lưu vực miền Trung.