Tổng quan nghiên cứu

Các thảm họa thiên nhiên, đặc biệt là lũ lụt, đang là mối đe dọa nghiêm trọng đối với cuộc sống và sự phát triển bền vững của nhân loại. Lũ lụt chiếm khoảng 30% tổng số thảm họa thiên nhiên, gây ra 30% thiệt hại kinh tế và khoảng 20% số tử vong do thiên tai. Tại Việt Nam, đặc biệt là thành phố Đà Nẵng, lũ lụt diễn ra với tần suất và mức độ nghiêm trọng cao, gây ra nhiều thiệt hại về người và tài sản. Trên địa bàn Đà Nẵng hiện có 21 hồ chứa nước, trong đó 19 hồ nhỏ và 2 hồ vừa, chủ yếu phục vụ cấp nước tưới và sinh hoạt, không có hồ chứa nào có chức năng phòng chống lũ. Khi xảy ra lũ, các hồ này phải xả lũ để bảo đảm an toàn công trình, nhưng việc xả lũ thường gây ngập lụt nghiêm trọng ở hạ lưu, đặc biệt khi kết hợp với triều cường và mực nước lũ cao.

Nghiên cứu tập trung vào bài toán vỡ đập hồ Đồng Nghệ, một công trình thủy lợi quan trọng tại Đà Nẵng, nhằm lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp, mô phỏng các kịch bản vỡ đập và đề xuất giải pháp ứng phó hiệu quả cho khu vực hạ lưu. Mục tiêu cụ thể là xác định lưu lượng lũ, diện tích và độ sâu ngập lụt, thời gian nước lũ lan truyền, từ đó xây dựng kế hoạch phòng tránh và giảm nhẹ thiệt hại cho các khu dân cư, cơ sở kinh tế, an ninh và quốc phòng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, với trọng tâm là hạ lưu sông Túy Loan thuộc thành phố Đà Nẵng. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao khả năng phòng chống thiên tai, bảo vệ an toàn công trình và phát triển bền vững khu vực miền Trung Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy lực hiện đại, bao gồm:

  • Hệ phương trình Saint-Venant: Là cơ sở toán học cho mô hình dòng chảy một chiều, mô tả biến đổi mực nước và lưu lượng theo chiều dài dòng sông, đảm bảo tính liên tục và động lượng trong dòng chảy.
  • Mô hình thủy lực một chiều và hai chiều: Mô hình một chiều (1D) như MIKE 11 dùng để mô phỏng dòng chảy trong mạng lưới sông phức tạp, mô hình hai chiều (2D) như MIKE 21 mô phỏng chi tiết dòng chảy trên mặt bằng, đặc biệt là khu vực bãi lũ và vùng ngập.
  • Mô hình kết hợp MIKE FLOOD: Kết nối mô hình 1D và 2D để mô phỏng đồng thời dòng chảy trong lòng dẫn và trên bề mặt đồng bằng, giúp mô phỏng chính xác quá trình ngập lụt và lan truyền lũ do vỡ đập.
  • Khái niệm thủy văn và thủy lực: Bao gồm các khái niệm về lưu lượng lũ, mực nước, vận tốc dòng chảy, lưu vực sông, chế độ mưa, bốc hơi, và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và lan truyền lũ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng quan tài liệu, thu thập và phân tích số liệu thực tế từ các trạm khí tượng thủy văn trong lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, kết hợp với mô hình toán thủy lực để mô phỏng các kịch bản vỡ đập. Cỡ mẫu dữ liệu bao gồm số liệu mưa, lưu lượng, mực nước từ các trạm quan trắc như Nông Sơn, Thành Mỹ, Đà Nẵng, Tam Kỳ, Trà My trong khoảng thời gian từ 1977 đến nay, đảm bảo độ tin cậy và đại diện cho điều kiện thực tế.

Phương pháp phân tích chính là mô hình hóa thủy lực bằng bộ công cụ mô hình MIKE của DHI, bao gồm:

  • MIKE 11: Mô phỏng dòng chảy một chiều trong mạng lưới sông, tính toán quá trình lan truyền lũ.
  • MIKE 21: Mô phỏng dòng chảy hai chiều chi tiết trên mặt bằng, đặc biệt khu vực bãi lũ và vùng ngập.
  • MIKE FLOOD: Kết nối MIKE 11 và MIKE 21 để mô phỏng đồng thời dòng chảy trong lòng sông và trên bề mặt, phục vụ tính toán ngập lụt do vỡ đập.

Quá trình nghiên cứu gồm các bước: thu thập số liệu, lựa chọn mô hình phù hợp, thiết lập mô hình, hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình với số liệu thực đo, xây dựng và mô phỏng các kịch bản vỡ đập, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp ứng phó.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định các kịch bản vỡ đập hồ Đồng Nghệ: Hai kịch bản chính được xây dựng gồm vỡ đập khi xảy ra lũ kiểm tra với tần suất 0,2% và vỡ đập trong điều kiện lũ cực hạn PME (Probable Maximum Event). Lưu lượng lũ thiết kế lần lượt là 8.689 m³/s và 18.163 m³/s, ảnh hưởng đến toàn bộ khu vực hạ lưu sông Túy Loan và các nhánh sông liên quan.

  2. Mô phỏng lan truyền lũ và ngập lụt: Mô hình MIKE 11 và MIKE 21 cho thấy thời gian nước lũ lan truyền từ hồ Đồng Nghệ đến các khu vực hạ lưu dao động trong khoảng 10-16 giờ, với diện tích ngập lụt có thể lên đến hàng chục km², đặc biệt tại các vùng trũng thấp ven sông Yên, sông Luông Đông và sông Cầu Đỏ.

  3. Ảnh hưởng của việc xả lũ hồ chứa: Việc xả lũ để bảo đảm an toàn công trình khi có lũ lớn gây ra ngập lụt nghiêm trọng ở hạ lưu, đặc biệt khi kết hợp với triều cường và mực nước lũ cao. Lưu lượng xả lũ có thể đạt tới 3.634 m³/s, làm tăng nguy cơ ngập lụt và thiệt hại cho các khu dân cư và cơ sở kinh tế.

  4. Nguyên nhân chính gây vỡ đập: Qua phân tích các sự cố đập đất tại khu vực Trung Trung Bộ, nguyên nhân chủ yếu là do thấm nước, sạt mái đập, thấm qua nền đập, nứt nẻ thân đập và các lỗi trong thiết kế, thi công, cũng như điều kiện địa chất nền không ổn định. Tỷ lệ các sự cố thấm chiếm khoảng 15%, hỏng cổng lấy nước 17%, và sạt mái đập thượng lưu chiếm gần 25%.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy việc lựa chọn mô hình toán thủy lực kết hợp MIKE 11, MIKE 21 và MIKE FLOOD là phù hợp và hiệu quả trong việc mô phỏng quá trình vỡ đập và lan truyền lũ. Các số liệu mô phỏng được so sánh với các trận lũ lịch sử như lũ năm 1964, 1998 và 1999 cho thấy độ chính xác cao, giúp dự báo chính xác vùng ngập và thời gian lan truyền lũ.

Nguyên nhân vỡ đập chủ yếu liên quan đến các yếu tố kỹ thuật và địa chất, đồng thời chịu ảnh hưởng lớn từ điều kiện khí hậu khắc nghiệt và chế độ thủy văn phức tạp của khu vực Trung Trung Bộ. Việc thiếu hồ chứa có chức năng phòng chống lũ làm tăng nguy cơ ngập lụt khi xả lũ hoặc xảy ra sự cố vỡ đập.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ lưu lượng lũ theo thời gian, bản đồ phân bố ngập lụt vùng hạ lưu, bảng tổng hợp các sự cố đập và sơ đồ mạng lưới sông phục vụ mô phỏng. Những kết quả này cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho việc xây dựng kế hoạch ứng phó và phòng tránh thiên tai hiệu quả.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng hệ thống cảnh báo sớm và kế hoạch ứng phó vỡ đập: Thiết lập hệ thống giám sát mực nước, lưu lượng và tình trạng công trình hồ chứa, kết hợp với mô hình dự báo để cảnh báo kịp thời cho người dân và các cơ quan chức năng. Thời gian thực hiện: trong vòng 1 năm; Chủ thể: Ban quản lý hồ chứa, Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn.

  2. Nâng cấp, sửa chữa và gia cố các công trình hồ chứa: Tập trung xử lý các điểm yếu như thấm nước, nứt nẻ, sạt mái đập, cải thiện chất lượng vật liệu và kỹ thuật thi công để tăng cường an toàn đập. Thời gian thực hiện: 2-3 năm; Chủ thể: Ban quản lý dự án, các đơn vị thi công và tư vấn kỹ thuật.

  3. Quy hoạch và phát triển hệ thống hồ chứa có chức năng phòng chống lũ: Xây dựng các hồ chứa mới hoặc nâng cấp hồ hiện có nhằm giảm thiểu lưu lượng lũ về hạ lưu, kết hợp với các công trình thủy lợi và thủy điện. Thời gian thực hiện: dài hạn (5-10 năm); Chủ thể: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, UBND các tỉnh.

  4. Tuyên truyền, đào tạo nâng cao nhận thức cộng đồng và chính quyền địa phương: Tổ chức các chương trình tập huấn, diễn tập ứng phó thiên tai, nâng cao kỹ năng phòng tránh và giảm nhẹ thiệt hại do lũ lụt và vỡ đập. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: Ban chỉ huy phòng chống thiên tai, các tổ chức xã hội.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý nhà nước về thủy lợi và phòng chống thiên tai: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy hoạch phát triển hệ thống hồ chứa và kế hoạch ứng phó thiên tai hiệu quả.

  2. Các đơn vị tư vấn, thiết kế và thi công công trình thủy lợi: Áp dụng phương pháp mô hình toán thủy lực trong thiết kế, đánh giá an toàn và vận hành các công trình hồ chứa, đập đất.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành thủy lợi, môi trường và quản lý tài nguyên nước: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình hóa và phân tích dữ liệu thủy văn, thủy lực trong bối cảnh thực tế.

  4. Chính quyền địa phương và cộng đồng dân cư vùng hạ lưu: Nắm bắt thông tin về nguy cơ, kịch bản vỡ đập và các biện pháp phòng tránh, nâng cao khả năng ứng phó và giảm thiểu thiệt hại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần nghiên cứu bài toán vỡ đập hồ Đồng Nghệ?
    Vỡ đập có thể gây ra lũ lụt nghiêm trọng, đe dọa tính mạng và tài sản của người dân vùng hạ lưu. Nghiên cứu giúp dự báo, mô phỏng và xây dựng phương án ứng phó kịp thời, giảm thiểu thiệt hại.

  2. Phương pháp mô hình toán thủy lực có ưu điểm gì?
    Mô hình toán cho phép mô phỏng chi tiết quá trình dòng chảy, lan truyền lũ và ngập lụt với độ chính xác cao, thời gian tính toán nhanh và chi phí thấp hơn so với mô hình vật lý.

  3. Các kịch bản vỡ đập được xây dựng dựa trên cơ sở nào?
    Dựa trên lưu lượng lũ thiết kế và cực hạn, điều kiện vận hành hồ chứa, đặc điểm địa hình và thủy văn khu vực, nhằm phản ánh các tình huống có thể xảy ra trong thực tế.

  4. Làm thế nào để giảm thiểu nguy cơ vỡ đập?
    Cần nâng cao chất lượng thiết kế, thi công, bảo trì công trình, giám sát chặt chẽ tình trạng đập, đồng thời xây dựng hệ thống cảnh báo và kế hoạch ứng phó hiệu quả.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các hồ chứa khác không?
    Có, phương pháp và mô hình được lựa chọn có thể áp dụng cho các hồ chứa tương tự trong khu vực và cả nước, giúp đánh giá an toàn và xây dựng kế hoạch phòng chống thiên tai.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã lựa chọn và ứng dụng thành công bộ công cụ mô hình toán thủy lực MIKE để giải quyết bài toán vỡ đập hồ Đồng Nghệ, mô phỏng các kịch bản vỡ đập và lan truyền lũ.
  • Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin chi tiết về lưu lượng, mực nước, diện tích ngập lụt và thời gian lan truyền lũ, làm cơ sở xây dựng kế hoạch ứng phó hiệu quả.
  • Nguyên nhân vỡ đập chủ yếu liên quan đến các yếu tố kỹ thuật, địa chất và điều kiện khí hậu khắc nghiệt, đòi hỏi nâng cao chất lượng công trình và giám sát thường xuyên.
  • Đề xuất các giải pháp cụ thể bao gồm xây dựng hệ thống cảnh báo, nâng cấp công trình, quy hoạch hồ chứa phòng chống lũ và tuyên truyền nâng cao nhận thức cộng đồng.
  • Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, góp phần bảo vệ an toàn công trình, giảm thiểu thiệt hại do thiên tai và thúc đẩy phát triển bền vững khu vực miền Trung.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các cơ quan chức năng và cộng đồng địa phương áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả phòng chống thiên tai, đồng thời tiếp tục cập nhật, hiệu chỉnh mô hình theo dữ liệu mới nhằm đảm bảo tính chính xác và kịp thời trong dự báo.