Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Kỳ Cùng, thuộc vùng Đông Bắc Việt Nam, có diện tích lưu vực khoảng 6.660 km² với chiều dài sông chính 243 km, bắt nguồn từ vùng núi Bắc Xa cao 1.166 m. Hồ chứa nước Bản Lai, công trình cấp 1 lớn nhất tỉnh Lạng Sơn, được xây dựng trên sông Kỳ Cùng với diện tích lưu vực khoảng 457 km². Vùng nghiên cứu có đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa, phân chia rõ rệt hai mùa mưa và khô, với lượng mưa trung bình năm khoảng 1.629 mm, tập trung chủ yếu từ tháng 5 đến tháng 9. Nhiệt độ dao động từ 1°C đến 28,6°C, độ ẩm trung bình tháng từ 78% đến 88%, và tốc độ gió trung bình khoảng 1,0 đến 1,5 m/s.

Việc xây dựng hồ chứa Bản Lai làm thay đổi mực nước và lưu tốc dòng chảy thượng lưu, gây ra hiện tượng ngập lụt vùng lòng hồ và thượng lưu, ảnh hưởng đến diện tích đất canh tác và khu dân cư. Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình thủy lực chính xác để tính toán mực nước thượng lưu hồ theo các kịch bản lũ khác nhau, từ đó đề xuất các giải pháp giảm thiểu ngập lụt, phục vụ công tác bồi thường, di dân tái định cư và vận hành hồ chứa hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vùng thượng lưu hồ Bản Lai, tỉnh Lạng Sơn, trong giai đoạn từ năm 1966 đến 2014, với các trận lũ điển hình như tháng 7/1971, 9/2008 và 7/2014.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn công trình, giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt, nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn nước cho tưới tiêu, sinh hoạt và phát triển kinh tế xã hội vùng dự án.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai mô hình toán chủ đạo trong lĩnh vực thủy văn và thủy lực:

  • Mô hình thủy văn MIKE NAM: Mô hình mưa - dòng chảy tập trung, dựa trên nguyên tắc xếp các bể chứa theo chiều thẳng đứng, mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm. MIKE NAM sử dụng các tham số như lượng mưa, bốc hơi, nhiệt độ không khí để tính toán lưu lượng dòng chảy trên lưu vực. Mô hình phù hợp với lưu vực vừa và nhỏ, có khả năng mô phỏng chính xác quá trình dòng chảy trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa.

  • Mô hình thủy lực MIKE 11: Mô hình thủy động lực học một chiều, giải hệ phương trình Saint-Venant để mô phỏng dòng chảy không ổn định trên hệ thống sông, kênh và vùng ngập lũ. MIKE 11 có khả năng mô phỏng chi tiết mực nước, lưu lượng, vận chuyển bùn cát và tương tác giữa dòng chảy trong sông và vùng ngập lũ. Mô hình được đánh giá cao về độ ổn định, tính đồng bộ và khả năng xử lý các bài toán phức tạp.

Các khái niệm chính bao gồm: dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm, hệ số Nash-Sutcliffe (NSE) để đánh giá độ chính xác mô hình, phương trình Saint-Venant, và các tham số mô hình như hệ số dòng chảy tràn (CQOF), ngưỡng dòng chảy (TOF, TIF), hằng số thời gian dòng chảy (CKIE, CKBF).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu sử dụng bao gồm số liệu khí tượng thủy văn từ các trạm Lạng Sơn, Đình Lập, Lộc Bình, Bản Chất, Mẫu Sơn, Đồng Quan và Bình Liêu, với chuỗi số liệu từ năm 1956 đến 2014. Dữ liệu mưa trận, lưu lượng dòng chảy, mực nước và bốc hơi được thu thập và tổng hợp phục vụ xây dựng mô hình.

Phương pháp nghiên cứu gồm:

  • Khảo sát, thu thập và xử lý số liệu: Tổng hợp số liệu khí tượng thủy văn, địa hình, đặc trưng lưu vực, các công trình trên hệ thống sông Kỳ Cùng.

  • Xây dựng mô hình thủy văn MIKE NAM: Thiết lập mô hình tính toán dòng chảy đến thượng lưu hồ Bản Lai, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình bằng các trận lũ thực tế (tháng 7/1971, 9/2008, 7/2014) với cỡ mẫu số liệu lớn, sử dụng hệ số NSE và hệ số tương quan R² để đánh giá độ tin cậy.

  • Thiết lập mô hình thủy lực MIKE 11: Xây dựng mạng lưới sông thượng lưu hồ Bản Lai gồm 65 mặt cắt dọc sông Kỳ Cùng dài 47,5 km, mô phỏng mực nước và dòng chảy không ổn định, sử dụng phương pháp sai phân ẩn 6 điểm Abbott-Ionescu để giải hệ phương trình Saint-Venant.

  • Phân tích kết quả mô phỏng: So sánh mực nước tính toán với số liệu thực đo, đánh giá ảnh hưởng của hồ chứa đến mực nước thượng lưu, xác định phạm vi ngập lụt và đề xuất các giải pháp giảm thiểu.

Thời gian nghiên cứu tập trung vào các trận lũ điển hình trong giai đoạn 1966-2014, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE NAM cho thấy hệ số Nash-Sutcliffe (NSE) đạt giá trị trên 0,7, hệ số tương quan R² trên 0,8, chứng tỏ mô hình mô phỏng dòng chảy thượng lưu hồ Bản Lai có độ chính xác cao. Lưu lượng lũ lớn nhất tính toán tại các thời điểm 9/2008 và 7/2014 tương ứng đạt 2.480 m³/s và 2.970 m³/s, phù hợp với số liệu thực đo.

  2. Mô hình thủy lực MIKE 11 mô phỏng chính xác mực nước dọc sông Kỳ Cùng, với sai số trung bình dưới 0,2 m so với số liệu quan trắc. Mực nước thượng lưu hồ Bản Lai tăng trung bình 1,8 m khi có hồ chứa, làm giảm lưu tốc dòng chảy và tăng nguy cơ ngập lụt vùng thượng lưu.

  3. Phân tích kịch bản lũ thiết kế với tần suất 1% (P=1%) cho thấy diện tích ngập lụt thượng lưu hồ Bản Lai có thể lên đến khoảng 150 ha, ảnh hưởng trực tiếp đến các khu dân cư và đất canh tác. So sánh với kịch bản hiện trạng, diện tích ngập tăng khoảng 25%, gây khó khăn cho công tác giải phóng mặt bằng và tái định cư.

  4. Ảnh hưởng của hồ chứa đến giảm lũ hạ du: Hồ Bản Lai có khả năng giảm mực nước lũ tại trạm Lạng Sơn khoảng 1,8 m trong các trận lũ lớn, góp phần bảo vệ an toàn cho thành phố và vùng phụ cận.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng ngập lụt thượng lưu là do mực nước hồ chứa tăng cao, lưu tốc dòng chảy giảm, dẫn đến bồi lắng và chuyển tải cát tích tụ tại vùng thượng lưu. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trước đây về tác động của hồ chứa đến dòng chảy và ngập lụt vùng thượng lưu.

So sánh với các nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 và MIKE NAM tại các lưu vực sông khác ở Việt Nam cho thấy tính khả thi và độ tin cậy của phương pháp mô hình toán trong dự báo và quản lý ngập lụt. Việc kết hợp mô hình thủy văn và thủy lực giúp cung cấp bức tranh toàn diện về dòng chảy và mực nước, hỗ trợ hiệu quả cho công tác vận hành hồ chứa.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh mực nước thực đo và mô phỏng, bản đồ phân bố diện tích ngập lụt theo các kịch bản lũ, và bảng thống kê lưu lượng lũ lớn nhất các năm điển hình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng hệ thống cảnh báo sớm ngập lụt thượng lưu hồ Bản Lai dựa trên mô hình thủy văn - thủy lực MIKE NAM và MIKE 11, nhằm giảm thiểu thiệt hại cho khu dân cư và sản xuất nông nghiệp. Thời gian triển khai trong vòng 1-2 năm, chủ thể thực hiện là Ban Quản lý dự án và Sở Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn tỉnh Lạng Sơn.

  2. Thiết kế và triển khai các giải pháp kỹ thuật giảm ngập lụt, bao gồm cải tạo lòng sông, nạo vét bồi lắng, xây dựng kè bảo vệ bờ sông và hệ thống tiêu thoát nước thượng lưu. Mục tiêu giảm diện tích ngập lụt ít nhất 20% trong vòng 3 năm, do Sở Xây dựng và các đơn vị thi công thực hiện.

  3. Tổ chức công tác di dân, tái định cư hợp lý dựa trên bản đồ ngập lụt và mô hình tính toán, đảm bảo an toàn cho người dân và ổn định sản xuất. Thời gian thực hiện đồng bộ với tiến độ xây dựng hồ chứa, do UBND tỉnh và các cơ quan liên quan phối hợp thực hiện.

  4. Nâng cao năng lực quản lý vận hành hồ chứa thông qua đào tạo chuyên môn cho cán bộ kỹ thuật, áp dụng mô hình mô phỏng trong công tác điều tiết lũ và cấp nước. Mục tiêu nâng cao hiệu quả vận hành, giảm thiểu rủi ro ngập lụt trong mùa mưa lũ, thực hiện liên tục hàng năm, do Ban Quản lý hồ chứa và Sở Tài nguyên & Môi trường chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước và phòng chống thiên tai: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy hoạch và kế hoạch ứng phó ngập lụt vùng hồ chứa.

  2. Các đơn vị vận hành hồ chứa và công trình thủy lợi: Áp dụng mô hình thủy lực để tối ưu hóa công tác điều tiết nước, giảm thiểu ngập lụt và đảm bảo an toàn công trình.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật tài nguyên nước, thủy văn, thủy lực: Tham khảo phương pháp xây dựng và hiệu chỉnh mô hình, cũng như các kết quả phân tích thực tiễn.

  4. Đơn vị tư vấn, thiết kế và thi công công trình thủy lợi, thủy điện: Áp dụng các giải pháp kỹ thuật giảm ngập lụt và mô hình toán trong thiết kế, vận hành công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình MIKE NAM và MIKE 11 có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    MIKE NAM mô phỏng chính xác quá trình mưa - dòng chảy trên lưu vực vừa và nhỏ với ít tham số, dễ hiệu chỉnh. MIKE 11 mô phỏng thủy lực dòng chảy không ổn định trên hệ thống sông, cho kết quả mực nước và lưu lượng chi tiết, phù hợp với bài toán ngập lụt vùng thượng lưu hồ chứa.

  2. Làm thế nào để đánh giá độ chính xác của mô hình?
    Sử dụng hệ số Nash-Sutcliffe (NSE) và hệ số tương quan R² so sánh giữa số liệu mô phỏng và thực đo. Trong nghiên cứu này, NSE đạt trên 0,7 và R² trên 0,8, cho thấy mô hình có độ tin cậy cao.

  3. Ngập lụt thượng lưu hồ Bản Lai ảnh hưởng như thế nào đến người dân?
    Ngập lụt làm giảm diện tích đất canh tác, ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp và đời sống dân cư, gây khó khăn trong công tác giải phóng mặt bằng và tái định cư.

  4. Các giải pháp giảm ngập lụt được đề xuất là gì?
    Bao gồm xây dựng hệ thống cảnh báo sớm, cải tạo lòng sông, nạo vét bồi lắng, xây dựng kè bảo vệ, tổ chức di dân tái định cư hợp lý và nâng cao năng lực quản lý vận hành hồ chứa.

  5. Nghiên cứu có thể áp dụng cho các vùng khác không?
    Phương pháp mô hình thủy văn - thủy lực và quy trình hiệu chỉnh mô hình có thể áp dụng cho các lưu vực sông và hồ chứa tương tự, giúp quản lý nguồn nước và giảm thiểu ngập lụt hiệu quả.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình thủy văn MIKE NAM và mô hình thủy lực MIKE 11 cho lưu vực thượng lưu hồ chứa Bản Lai với độ chính xác cao (NSE > 0,7, R² > 0,8).
  • Mô hình mô phỏng chính xác mực nước và lưu lượng lũ, xác định phạm vi ngập lụt thượng lưu hồ Bản Lai theo các kịch bản lũ thiết kế.
  • Hồ chứa Bản Lai có khả năng giảm mực nước lũ hạ du khoảng 1,8 m, góp phần bảo vệ an toàn cho thành phố Lạng Sơn và vùng phụ cận.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý nhằm giảm thiểu ngập lụt, hỗ trợ công tác di dân tái định cư và vận hành hồ chứa hiệu quả.
  • Kế hoạch tiếp theo là triển khai hệ thống cảnh báo sớm, cải tạo kỹ thuật và đào tạo nâng cao năng lực quản lý vận hành trong vòng 1-3 năm tới.

Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và công cụ thực tiễn quan trọng cho công tác quản lý, vận hành hồ chứa Bản Lai và các dự án tương tự, góp phần phát triển bền vững tài nguyên nước và giảm thiểu rủi ro thiên tai vùng Đông Bắc Việt Nam.