Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Thạch Hãn có diện tích tự nhiên khoảng 2500 km2 với chiều dài dòng chính đạt 169 km, giữ vai trò huyết mạch đối với phát triển kinh tế và xã hội của tỉnh Quảng Trị. Đặc thù khí hậu nhiệt đới gió mùa miền Trung khiến khu vực này có lượng mưa bình quân năm rất cao, vượt mức 2400 mm, trong đó lượng mưa mùa lũ tập trung từ 68% đến gần 73% tổng lượng cả năm. Hệ số dòng chảy của lưu vực đạt trên 0,77, tương ứng tổng lượng dòng chảy hàng năm lên tới 3,92 tỷ m3 nước. Địa hình dốc lớn từ dãy Trường Sơn đổ ra biển khiến lũ trên sông Thạch Hãn lên rất nhanh, biên độ lũ lớn và thường xuyên gây ngập lụt nghiêm trọng tại các vùng hạ du đồng bằng như thị xã Quảng Trị, thành phố Đông Hà và các huyện Triệu Phong, Hải Lăng.

Sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống 119 hồ chứa thủy lợi và thủy điện trên địa bàn, tiêu biểu là công trình Thủy lợi - Thủy điện Rào Quán có dung tích 163 triệu m3 (dung tích phòng lũ 30 triệu m3), đã làm thay đổi đáng kể chế độ thủy văn tự nhiên. Đề tài tập trung giải quyết bài toán định lượng mức độ ảnh hưởng của các công trình hồ chứa đến quá trình tập trung lũ, diễn biến đỉnh lũ và tổng lượng lũ tại hạ du sông Thạch Hãn. Mục tiêu cụ thể là ứng dụng công cụ mô hình toán hiện đại để mô phỏng điều tiết hồ chứa và hoàn nguyên dòng chảy trong giai đoạn quan trắc nhiều năm. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn, hỗ trợ các nhà quản lý nâng cao hiệu quả phòng chống thiên tai, giảm thiểu thiệt hại ngập lụt từ 10% đến 20% cho cộng đồng dân cư hạ lưu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa các lý thuyết thủy văn và thủy lực hiện đại nhằm mô phỏng toàn diện chu trình nước từ sườn dốc đến dòng chảy hạ du:

  • Lý thuyết mô hình nhận thức mưa - dòng chảy: Sử dụng mô hình toán xác định MIKE-NAM mô phỏng liên tục trạng thái ẩm của đất và quá trình hình thành dòng chảy từ mưa. Mô hình khái quát hóa lưu vực thông qua hệ thống các bể chứa thẳng đứng gồm: bể chứa mặt với giới hạn trữ ẩm bề mặt Umax, bể chứa tầng rễ cây với dung tích trữ ẩm Lmax, cùng hai bể chứa tuyến tính mô tả dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm.
  • Lý thuyết thủy lực dòng không ổn định một chiều: Sử dụng hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến Saint-Venant (gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng) để mô tả động lực học dòng lũ trong mạng lưới sông hở.
  • Lý thuyết điều tiết dòng chảy và cân bằng nước hồ chứa: Dựa trên nguyên lý bảo toàn khối lượng liên tục giữa lưu lượng đến, dung tích trữ của hồ và lưu lượng xả qua tràn hoặc tuốc bin phát điện.

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng các khái niệm thủy văn then chốt bao gồm: dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm, hoàn nguyên dòng chảy tự nhiên và dung tích đón lũ chủ động.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng chuỗi số liệu khí tượng thủy văn được thu thập liên tục trong 36 năm (từ năm 1977 đến năm 2013) tại 3 trạm thủy văn cơ bản (Thạch Hãn, Đông Hà, Cửa Việt), 2 trạm khí tượng (Đông Hà, Khe Sanh) và 5 trạm đo chuyên dùng trên lưu vực.

Cỡ mẫu được lựa chọn có chủ đích bao gồm các trận lũ lịch sử đặc trưng như trận lũ tháng 11 năm 2004, tháng 10 năm 2005 (thời kỳ trước khi có hồ Rào Quán) và các trận lũ tháng 9 năm 2009, tháng 10 năm 2011, tháng 10 năm 2013 (thời kỳ sau khi hồ Rào Quán vận hành). Phương pháp chọn mẫu này đảm bảo phản ánh đầy đủ cả dạng lũ đơn đỉnh lẫn lũ kép kéo dài.

Lý do lựa chọn phương pháp mô hình hóa thay vì phương pháp thống kê thuần túy là do chuỗi số liệu thực đo sau khi xây dựng hồ Rào Quán (từ cuối năm 2007) còn quá ngắn, chỉ có khoảng 7 trận lũ năm, chưa đủ độ dài để phân tích tần suất kinh nghiệm tin cậy. Nghiên cứu đã tích hợp bộ ba công cụ:

  1. Mô hình MIKE-NAM: Tính toán khôi phục dòng chảy đến từ các tiểu lưu vực khu giữa.
  2. Mô hình HEC-RESSIM: Mô phỏng quy trình vận hành điều tiết xả lũ, phát điện công suất 64 MW và tích nước của hồ Rào Quán.
  3. Mô hình thủy lực MIKE 11 HD: Giải hệ phương trình Saint-Venant bằng sơ đồ sai phân ẩn 6 điểm Abbott-Ionescu để diễn toán sóng lũ truyền về hạ du Thạch Hãn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích số liệu đã mang lại 4 phát hiện khoa học quan trọng về chế độ thủy văn lưu vực sông Thạch Hãn:

  • Hiệu quả cắt giảm đỉnh lũ của hồ Rào Quán đối với các trận lũ vừa: Nhờ dung tích phòng lũ chuyên biệt 30 triệu m3, hồ thủy điện Rào Quán phát huy vai trò cắt lũ rõ rệt trong các trận lũ có chu kỳ lặp nhỏ. Điển hình trong trận lũ tháng 9 năm 2009, hồ đã giúp cắt giảm lưu lượng đỉnh lũ tại trạm thủy văn Thạch Hãn từ 12,5% đến 18,2% so với kịch bản dòng chảy tự nhiên.
  • Mức độ suy giảm hiệu quả cắt lũ trong các trận lũ lớn kéo dài: Trong các trận mưa lũ cực đoan nhiều ngày như trận lũ tháng 10 năm 2013, khi dung tích phòng lũ bị lấp đầy nhanh chóng, hồ buộc phải chuyển sang chế độ xả tràn bảo đảm an toàn đập. Khi đó, hiệu quả cắt giảm đỉnh lũ tại hạ lưu chỉ còn đạt từ 6,5% đến 9,2%, nhưng vẫn có tác dụng làm chậm thời gian xuất hiện đỉnh lũ tại trạm Thạch Hãn từ 3 đến 6 giờ.
  • Tác động hạn chế của các hồ chứa thủy lợi nhỏ: Hệ thống các hồ chứa thủy lợi như hồ Ái Tử (dung tích 15,27 triệu m3), Bảo Đài (dung tích 25,5 triệu m3) hầu hết nằm trên các chi lưu độc lập và sử dụng tràn xả lũ tự do không cửa van. Do đó, khả năng tham gia cắt lũ cho dòng chính sông Thạch Hãn chỉ đạt dưới 3,0%.
  • Đặc trưng truyền lũ nhanh của lưu vực: Với độ dốc sườn lưu vực bình quân lên tới 20,1% và lượng mưa tập trung cao ở vùng núi Khe Sanh (trên 600 mm trong 3 ngày), thời gian tập trung lũ về hạ du chỉ dao động trong khoảng 24 đến 36 giờ, đòi hỏi công tác dự báo phải có độ chính xác cao.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả điều tiết lũ của hồ chứa phụ thuộc mật thiết vào dung tích hữu ích 141,26 triệu m3 và cao trình mực nước đón lũ ban đầu trước khi mưa lớn xuất hiện. Khi hồ duy trì được dung tích phòng lũ thiết kế, hồ hoạt động như một bể đệm thủy lực khổng lồ làm dẹt đường quá trình lũ.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu thủy văn tại lưu vực sông Hương và sông Thu Bồn ở miền Trung, khẳng định các công trình thủy điện thượng nguồn có khả năng giảm nhẹ thiên tai đáng kể nếu vận hành đón lũ hợp lý. Trong nghiên cứu, dữ liệu được trực quan hóa rất chi tiết thông qua các biểu đồ quá trình lưu lượng theo thời gian (hydrograph) so sánh trực tiếp giữa đường lũ thực đo, lũ hoàn nguyên tự nhiên và lũ sau điều tiết, cùng các bảng tổng hợp chỉ số thủy văn như lưu lượng đỉnh Qmax, mực nước đỉnh Hmax và tổng lượng lũ W.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm phát huy tối đa năng lực phòng chống lũ của hệ thống hồ chứa và giảm thiểu rủi ro cho hạ du sông Thạch Hãn, các giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

  • Xây dựng và ban hành Quy trình vận hành liên hồ chứa theo thời gian thực: Ủy ban nhân dân tỉnh Quảng Trị chủ trì phối hợp với Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn hoàn thiện quy chế phối hợp vận hành giữa hồ thủy điện Rào Quán, các bậc thang thủy điện Đăkrông và hồ chứa thủy lợi Nam Thạch Hãn. Mục tiêu giảm từ 15% đến 20% biên độ ngập lụt tại thị xã Quảng Trị trong giai đoạn 2024-2025.
  • Chủ động hạ thấp mực nước hồ đón lũ trước bão: Công ty Thủy điện Quảng Trị cần thực hiện xả sớm qua tuốc bin phát điện hoặc cửa xả sâu để tạo dung tích đón lũ tối thiểu 30 triệu m3 trước khi có dự báo mưa bão lớn trên 200 mm, áp dụng định kỳ trong mùa mưa bão từ tháng 9 đến tháng 11 hàng năm.
  • Hiện đại hóa mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn tự động: Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Trung Trung Bộ cần bổ sung lắp đặt từ 10 đến 15 trạm đo mưa tự động và trạm đo mực nước chuyên dùng tại các khu giữa vùng thượng nguồn sông Đăkrông và sông Hiếu, hoàn thành trong năm 2025.
  • Chuyển giao và ứng dụng công nghệ mô hình số: Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai tỉnh Quảng Trị cần tích hợp chuỗi mô hình MIKE-NAM, HEC-RESSIM và MIKE 11 vào hệ thống hỗ trợ ra quyết định khẩn cấp, triển khai thử nghiệm diện rộng trong giai đoạn 2025-2026.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho nhiều nhóm chuyên môn:

  • Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước và phòng chống thiên tai: Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai tỉnh Quảng Trị, Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn sử dụng tài liệu làm căn cứ khoa học xây dựng bản đồ cảnh báo ngập lụt và lập phương án di dời dân cư vùng trũng.
  • Các đơn vị quản lý, vận hành hồ chứa thủy điện và thủy lợi: Các kỹ sư vận hành tại Công ty Thủy điện Quảng Trị và Công ty Khai thác công trình thủy lợi áp dụng mô hình HEC-RESSIM để tính toán điều tiết cân bằng nước, vừa đảm bảo phát điện an toàn vừa cắt lũ tối ưu.
  • Cán bộ nghiên cứu, giảng viên và sinh viên ngành Thủy văn, Kỹ thuật tài nguyên nước: Tài liệu cung cấp phương pháp luận mẫu mực trong việc tích hợp mô hình thủy văn - thủy lực để đánh giá tác động công trình khi thiếu chuỗi số liệu thực đo dài hạn.
  • Kỹ sư tư vấn quy hoạch và thiết kế hạ tầng giao thông, thủy lợi: Tham khảo các đặc trưng dòng chảy đỉnh lũ hoàn nguyên và lưu lượng thiết kế để xác định khẩu độ cầu cống, cao trình mặt đê phù hợp trên lưu vực sông Thạch Hãn.

Câu hỏi thường gặp

  • Hồ Rào Quán có khả năng cắt giảm lũ hoàn toàn cho hạ du sông Thạch Hãn hay không? Hồ Rào Quán không thể cắt giảm hoàn toàn các trận lũ lớn do dung tích phòng lũ giới hạn ở mức 30 triệu m3 trên tổng dung tích 163 triệu m3. Hồ chỉ phát huy hiệu quả cắt đỉnh lũ từ 12% đến 18% đối với lũ vừa và giúp làm chậm thời gian truyền đỉnh lũ về hạ lưu từ 3 đến 6 giờ đối với các trận lũ cực đoan.
  • Tại sao nghiên cứu phải dùng phương pháp mô hình toán thay vì thống kê thủy văn? Phương pháp thống kê đòi hỏi chuỗi số liệu đồng nhất kéo dài ít nhất 30 đến 50 năm. Do hồ Rào Quán mới vận hành từ cuối năm 2007, chuỗi quan trắc sau khi có hồ chỉ có khoảng 7 năm nên việc ứng dụng mô hình số MIKE-NAM và HEC-RESSIM là bắt buộc để mô phỏng hoàn nguyên và so sánh khách quan.
  • Vai trò chính của mô hình MIKE-NAM trong đề tài này là gì? Mô hình MIKE-NAM đóng vai trò tái tạo quá trình sinh dòng chảy từ lượng mưa tại các tiểu lưu vực sườn dốc và khu giữa không có trạm đo. Bộ thông số mô hình sau khi hiệu chỉnh và kiểm định chuẩn xác giúp cung cấp dữ liệu biên lưu lượng đầu vào cho mô hình điều tiết hồ HEC-RESSIM và mô hình thủy lực MIKE 11.
  • Các hồ chứa thủy lợi vừa và nhỏ có ảnh hưởng nhiều đến lũ hạ du sông Thạch Hãn không? Hầu hết các hồ chứa thủy lợi vừa và nhỏ như hồ Ái Tử hay hồ Kinh Môn có dung tích dưới 25 triệu m3 và nằm trên các nhánh sông độc lập. Do sử dụng tràn xả tự do không có cửa van điều khiển, các hồ này chỉ giảm nhẹ lũ cục bộ vùng phụ cận dưới 3% và không ảnh hưởng đáng kể đến dòng chính sông Thạch Hãn.
  • Nguyên lý điều tiết lũ trong mô hình HEC-RESSIM được thiết lập như thế nào? Mô hình HEC-RESSIM dựa trên phương trình cân bằng nước liên tục kết hợp đường đặc trưng dung tích hồ. Mô hình phân chia các vùng dung tích hoạt động (dung tích chết, dung tích hữu ích, dung tích đón lũ) và thực hiện các thuật toán lặp để xả nước theo mức độ ưu tiên: an toàn công trình, phòng lũ hạ du và duy trì cột nước phát điện 64 MW.

Kết luận

  • Thiết lập thành công chuỗi công cụ mô hình hóa tích hợp gồm MIKE-NAM, HEC-RESSIM và MIKE 11 cho toàn bộ lưu vực 2500 km2 sông Thạch Hãn.
  • Định lượng chính xác mức độ cắt giảm đỉnh lũ của hồ Rào Quán từ 6,5% đến 18,2% và khả năng làm chậm đỉnh lũ hạ du từ 3 đến 6 giờ.
  • Chứng minh hệ thống hồ thủy lợi nhỏ xả tự do ít ảnh hưởng đến chế độ lũ dòng chính, đóng góp cắt lũ chỉ dưới 3,0%.
  • Hoàn nguyên thành công chuỗi dòng chảy tự nhiên, làm sáng tỏ quy luật thủy văn sông Thạch Hãn trong bối cảnh phát triển công trình nhân tạo.
  • Cung cấp cơ sở khoa học tin cậy đề xuất phương án vận hành liên hồ chứa đón lũ chủ động với dung tích phòng lũ 30 triệu m3.

Để nâng cao chất lượng dự báo trong tương lai, giai đoạn 2025-2027 cần tiếp tục cập nhật chuỗi số liệu khí tượng thủy văn mới và tích hợp thêm chuỗi bậc thang thủy điện Đăkrông vào mô hình. Các cơ quan quản lý và đơn vị vận hành hãy chủ động ứng dụng kết quả nghiên cứu này để tối ưu hóa công tác phòng chống thiên tai, bảo đảm an toàn tuyệt đối cho hạ du sông Thạch Hãn.