Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Thủy văn học (mã số: 62 44 02 24) với đề tài "Nghiên cứu mưa, lũ cực hạn lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Dương Quốc Huy dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Tùng Phong và PGS.TS Ngô Lê Long tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam (năm 2018).

  • Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu: Lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn là lưu vực sông lớn và trọng điểm ở miền Trung, có đặc điểm địa hình ngắn, dốc, thời gian tập trung lũ nhanh, đồng bằng nhỏ hẹp nên thường xuyên chịu ngập lụt nghiêm trọng, được coi là "rốn lũ" của khu vực. Trên lưu vực đã và đang xây dựng hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện quy mô lớn (như Sông Tranh, Sông Bung 4, Đăk Mi 4) và các công trình thủy lợi. Mặc dù các hồ chứa thượng nguồn giúp cắt giảm một phần lưu lượng đỉnh lũ tự nhiên, chúng cũng tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn đập khi xuất hiện các hiện tượng khí tượng thủy văn cực đoan. Hầu hết các hồ chứa hiện nay được thiết kế dựa trên lý thuyết tần suất với chuỗi số liệu quan trắc ngắn và thiếu vắng số liệu lũ lịch sử, dẫn đến sai lệch lớn giữa giá trị tính toán và thực tế. Các dẫn chứng thực tế được nêu trong luận án gồm có:

    • Hồ Núi Cốc (Thái Nguyên) thiết kế năm 1974 với lưu lượng $Q_{1%} = 1.640\text{ m}^3/\text{s}$, nhưng sau trận lũ năm 1978 tính toán lại đã lên tới $3.030\text{ m}^3/\text{s}$ (vượt 1,85 lần).
    • Sau trận lũ năm 1999 ở miền Trung, mực nước lũ thực tế tại các hồ Đồng Nghệ, Hòa Trung (Đà Nẵng) và Phước Hà (Quảng Nam) đã vượt mực nước thiết kế lần lượt là $2,36\text{ m}$, $1,46\text{ m}$ và $1,60\text{ m}$. Khoảng trống nghiên cứu chính là các công trình thủy lợi, thủy điện trên lưu vực Vu Gia - Thu Bồn chưa được tính toán kiểm tra an toàn với lũ cực hạn (PMF). Đồng thời, phương pháp xác định mưa cực hạn (PMP) và lũ cực hạn (PMF) trong điều kiện khí hậu nhiệt đới thiếu số liệu tại Việt Nam còn tồn tại nhiều điểm chưa thống nhất, phụ thuộc vào yếu tố chủ quan của người tính toán.

  • Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

    1. Đánh giá các ưu, nhược điểm của các phương pháp tính toán PMP tại Việt Nam hiện nay từ đó lựa chọn phương pháp, hệ số $K_{PMP}$ để xác định mưa cực hạn phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới của Việt Nam.
    2. Tính PMP và PMF cho lưu vực Vu Gia-Thu Bồn, đề xuất phương pháp xác định nhanh giá trị PMF tại các hồ chứa từ đó khuyến nghị đối với công tác an toàn hồ đập trước PMF.

  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

    • Đối tượng nghiên cứu: Mưa, lũ lớn và mưa, lũ cực hạn trên lưu vực Vu Gia - Thu Bồn.
    • Phạm vi không gian: Toàn bộ lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn (phần diện tích tập trung nước về Cửa Hàn của sông Vu Gia và Cửa Đại của sông Thu Bồn), nằm trong tọa độ từ $14^\circ 90'$ đến $16^\circ 20'$ vĩ độ Bắc và $107^\circ 20'$ đến $108^\circ 70'$ kinh độ Đông. Về mặt hành chính, lưu vực bao gồm $8.950\text{ km}^2$ thuộc tỉnh Quảng Nam (chiếm 84,5% diện tích tỉnh), $425\text{ km}^2$ thuộc TP. Đà Nẵng (43,9% diện tích thành phố) và $525\text{ km}^2$ thuộc tỉnh Kon Tum (5,1% diện tích tỉnh). Lưu vực được chia thành 6 tiểu lưu vực thủy lực: Nông Sơn, Thành Mỹ, Sông Bung, Sông Côn, Hạ Lưu và Đồng Bằng.
    • Phạm vi thời gian và nguồn tư liệu: Chuỗi số liệu khí tượng thủy văn trạm mặt đất quan trắc từ năm 1976 đến 2012 (trạm Đà Nẵng từ năm 1961); dữ liệu ảnh vệ tinh NASA phân tích 6 trận mưa lũ lớn giai đoạn 1998–2009 (tháng 11/1998, 11/1999, 12/1999, 11/2007, 10/2008, 9/2009).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

  • Các hướng nghiên cứu trên thế giới:

    • Khái niệm và phương pháp luận: PMP xuất hiện từ thập niên 1950 tại Mỹ và được Hiệp hội Khí tượng Mỹ công bố thuật ngữ vào năm 1959 (Hansen, 1987). Thập niên 1920–1940, kỹ sư vùng thung lũng Miami, Ohio (Mỹ) phân tích quan hệ thời đoạn - diện tích - lượng mưa; Myers (1967) chỉ ra các giới hạn bão dựa trên độ ẩm và tốc độ gió mang ẩm. Miller (1963) xác lập quan hệ giữa lượng mưa cực đại với độ ẩm bão hòa bề mặt ở 1000 hPa và nhiệt độ điểm sương 12 giờ liên tục. Schreiner và Riedel (1978) kết hợp cực đại hóa và chuyển vị xây dựng bản đồ đẳng trị PMP cho miền Đông nước Mỹ từ kinh tuyến 105°.
    • Xử lý yếu tố địa hình và mô hình thống kê: USWB (1961), Miller et al. (1973), Hansen et al. (1987) đề xuất phương pháp độc lập hóa cơn bão vùng đồi núi. Hershfield (1961, 1965) đề xuất phương pháp thống kê tính PMP: $\bar{X}_{PMP} = \bar{X}_n + K_m \cdot S_n$, ban đầu đề xuất $K_m = 15$ dựa trên 95.000 số liệu tại 2.645 trạm (90% tại Mỹ), sau đó mở rộng $K_m$ từ 5 đến 20 tra theo toán đồ.
    • Các nghiên cứu mở rộng và tranh luận: Zhan et al. (1983) tổng kết kỹ thuật PMP và lập biểu đồ PMP 24 giờ điểm cho Trung Quốc. Rezacova et al. (2005) dùng thống kê và radar tại CH Séc, xác định PMP lưu vực nhỏ không vượt quá 63% PMP điểm. Carmen Casas et al. (2010) tính PMP tại Barcelona (thống kê Hershfield cao hơn cực đại hóa dưới 10%). Mohammad Gheidari et al. (2011) áp dụng mô hình đa fractal cho hồ Bakhtiari (Iran). Fernando et al. (2011) cực đại hóa ẩm và gió tại Sri Lanka. Collier et al. (1996) ứng dụng mô hình mưa bão tại Anh. Nobilis et al. (1991) áp dụng phương pháp Hershfield tại vùng núi Alpine (Áo). Koutsoyiannis (1999), Papalexiou và Koutsoyiannis (2006), Ohara et al. (2011), Ishida et al. (2015) chỉ ra các hạn chế của phương pháp cực đại hóa ẩm truyền thống và đề xuất mô hình khí hậu vùng. Về PMF, USACE (1996) hướng dẫn chi tiết quy trình chuyển đổi từ PMP sang PMF qua mô hình mưa - dòng chảy.

  • Các nghiên cứu tại Việt Nam:

    • Lê Đình Thành (1996) dùng phương pháp cực đại hóa tính PMP cho sông Hồng - Thái Bình, sông Đà, Lô, Tả Trạch, ĐắkBla; sử dụng mô hình NASH kết hợp MUSKINGUM tính PMF, ghi nhận tỷ lệ $Q_{PMF} = (0,61 \div 1,71) Q_{0,01%}$. Lê Đình Thành (2004) cũng tính toán PMF cho hồ chứa Phú Ninh.
    • Đỗ Cao Đàm, Vũ Kiên Trung (2005) nghiên cứu PMP và PMF theo phương pháp thống kê phục vụ giải pháp tràn sự cố hồ chứa vừa và nhỏ.
    • Nguyễn Văn Lai và cộng sự (2009) tính PMP cho thủy điện Trung Sơn bằng phương pháp thống kê và tổng quát hóa, dùng HEC-HMS tính PMF ($PMP_{24h} = 839,6\text{ mm}$, $PMP_{48h} = 871,1\text{ mm}$, $PMP_{72h} = 894,6\text{ mm}$).
    • Phạm Việt Tiến (2007) tính PMP cho hồ Tả Trạch theo Hershfield và dùng công thức Xocolopxki tính lũ PMF, chỉ ra nghịch lý trạm Nam Đông mưa trung bình lớn hơn trạm Huế nhưng PMP tính ra lại nhỏ hơn.
    • Ngô Đình Tuấn, Nguyễn Quang Trung tính toán lũ PMF phục vụ kiểm tra thiết kế thủy điện Hòa Bình, Sơn La và các lưu vực khác.

Bảng: Giá trị lũ PMF tại một số lưu vực sông Việt Nam được tổng hợp trong luận án

Lưu vực Diện tích ($km^2$) $Q_{0,01%}$ ($m^3/s$) $Q_{PMF}$ ($m^3/s$) $M_{PMF}$ ($m^3/s\cdot km^2$) Tỷ lệ $Q_{PMF}/Q_{0,01%}$
Lai Châu 33.800 32.600 41.200 1,22 1,21
Tạ Bú 45.900 43.200 61.000 1,33 1,14
Hòa Bình 51.800 49.000 63.000 1,22 1,18
Hàm Yên 11.900 14.000 23.900 2,01 1,71
Chiêm Hóa 16.500 13.730 26.500 1,61 1,93
Bản Chát (*) 1.929 11.000 22.420 - -
Kon Tum 2.968 11.200 12.800 4,31 1,14
Tà Pao 2.012 13.700 8.330 - -

Ghi chú: () Không đưa PMF vào văn bản thiết kế.*

  • Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Đánh giá độ nhạy và lựa chọn hệ số $K_{PMP}$ thích hợp thông qua các phân bố xác suất lý thuyết; giải quyết bài toán tính toán PMP và PMF trong điều kiện mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn miền núi thưa thớt; xây dựng đường tương quan và công thức tính nhanh PMF tại các tuyến đập hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

  • Lý thuyết và khái niệm sử dụng:

    • Khái niệm lũ: Định nghĩa theo WMO (2012) và phân loại theo Quyết định 46/2014/QĐ-TTg ngày 15/8/2014 (lũ nhỏ, vừa, lớn, đặc biệt lớn, lịch sử, bất thường).
    • Mưa cực hạn (PMP): Định nghĩa theo WMO (1986) là lượng nước mưa lớn nhất về mặt lý thuyết có khả năng xảy ra trên một khu vực xác định trong khoảng thời gian nhất định.
    • Lũ cực hạn (PMF): Trận lũ lớn nhất về mặt lý thuyết sinh ra bởi tổ hợp các điều kiện khí tượng thủy văn bất lợi nhất có thể hình dung được.
    • Phương pháp suy luận vật lý: Mô hình mưa đối lưu (Chow, 1988) dựa trên phương trình $i = \frac{P_a}{P_w} \cdot \frac{V_1}{D} \cdot q_v$ (trong đó $i$ là cường độ mưa, $P_a$ là mật độ không khí, $P_w$ là mật độ nước, $D$ là đường kính cột không khí, $V_1$ là tốc độ gió, $q_v$ là độ ẩm riêng) và mô hình mưa địa hình dựa trên sự giảm nhiệt đoạn nhiệt theo định luật Boyle-Mariotte.
    • Phương pháp thống kê Hershfield: $X_{PMP} = \bar{X}_n + K_m \cdot S_n$.
    • Phương pháp cực đại hóa: Dựa trên tỷ số áp suất hơi nước bão hòa cực đại xác định qua nhiệt độ điểm sương 12 giờ liên tục lớn nhất ở mực áp suất 1000 hPa và tốc độ gió.

  • Phương pháp nghiên cứu thực tế:

    1. Điều tra khảo sát thực địa: Thu thập, bổ sung số liệu địa hình, khí tượng thủy văn, hiện trạng công trình và ngập lụt hạ du.
    2. Phương pháp phân tích thống kê:
      • Tính toán quan hệ Cường độ - Thời đoạn - Tần suất mưa (IDF) theo công thức Chow: $X_p = \bar{X} + k_p \cdot S_n$.
      • Xây dựng quan hệ Tổng lượng - Diện tích - Thời đoạn mưa (DAD) theo hướng dẫn của WMO (1969).
      • Khái quát biểu đồ phân phối mưa dạng tam giác (Watt et al., 1986) thông qua 3 thông số: thời đoạn mưa ($T_b$), tổng lượng mưa ($S$) và độ lệch đỉnh ($r = T_p / T_b$) xác định bằng mômen bậc 1: $M_1' = \sum M_1$.
      • Phân tích quan hệ Tổng lượng - Thời đoạn - Tần suất lũ (VDF) và Mực nước - Thời đoạn - Tần suất lũ (HDF).
      • Kiểm định phân bố xác suất lý thuyết của chuỗi hệ số $K_m$ theo 4 hàm: Gamma, Weibull, Log-normal và Giá trị cực hạn tổng quát (GEV).
    3. Phương pháp mô hình toán kết hợp GIS:
      • HEC-HMS: Mô hình hóa quá trình mưa - dòng chảy, phân chia các đơn vị thủy văn (HRU - Hydrological Response Units) cho các tiểu lưu vực thượng lưu.
      • MIKE 11: Mô phỏng thủy lực 1 chiều mạng lưới sông chính và các nhánh hạ lưu.
      • MIKE 21 và MIKE FLOOD: Mô hình thủy lực 2 chiều và mô hình tích hợp 1D-2D mô phỏng ngập lụt hạ du, xây dựng bản đồ phân bố độ sâu ngập và trường vận tốc dòng chảy.
    4. Phương pháp chuyên gia và cộng đồng: Kế thừa tài liệu điều tra, trao đổi chuyên gia và kinh nghiệm phòng chống lũ dân gian.
    5. Phương pháp phân tích hệ thống: Đánh giá tổng thể mối tương tác giữa điều kiện phát triển thượng lưu và tình hình ngập úng hạ lưu.

  • Nguồn tư liệu và dữ liệu:

    • Số liệu quan trắc từ 18 trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực (Đà Nẵng từ 1961, các trạm còn lại từ 1976 đến 2012).
    • Dữ liệu vệ tinh NASA cho các trận bão lũ lớn: tháng 11/1998, 11/1999, 12/1999, 11/2007, 10/2008, 9/2009.
    • Báo cáo số 157/BC-UBND ngày 20/9/2013 của UBND tỉnh Quảng Nam về quy hoạch thủy điện; Quyết định số 1537/QĐ-TTg ngày 7/9/2015 của Thủ tướng Chính phủ về Quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu về mưa, lũ cực hạn trên thế giới và trong nước

Chương 1 hệ thống hóa các định nghĩa, khái niệm về lũ, PMP, PMF; tổng quan tình hình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên thế giới và Việt Nam; đồng thời phân tích chi tiết đặc điểm tự nhiên và kinh tế - xã hội lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn.

  • Đặc điểm tự nhiên lưu vực:
    • Tổng diện tích lưu vực là $9.950\text{ km}^2$, phân chia thành 6 tiểu lưu vực: Nông Sơn ($3.130\text{ km}^2$), Thành Mỹ ($1.850\text{ km}^2$), Sông Bung ($1.530\text{ km}^2$), Sông Côn ($360\text{ km}^2$), Hạ Lưu ($2.381\text{ km}^2$) và Đồng Bằng ($699\text{ km}^2$).
    • Địa hình: $6.299\text{ km}^2$ (64% diện tích) có cao độ trên $+300\text{ m}$, tập trung ở Sông Bung, Thành Mỹ, Nông Sơn; $2.902\text{ km}^2$ (23% diện tích) có cao độ từ $+10\text{ m}$ đến $+300\text{ m}$. Vùng đồng bằng có diện tích $699\text{ km}^2$ có cao độ dưới $+10\text{ m}$ (trong đó $342\text{ km}^2$ dưới $4\text{ m}$, $182\text{ km}^2$ từ $4\text{ m}$ đến $6\text{ m}$, $110\text{ km}^2$ từ $6\text{ m}$ đến $8\text{ m}$, $80\text{ km}^2$ từ $8\text{ m}$ đến $10\text{ m}$), địa hình dạng lòng chảo trũng thấp gây bất lợi cho thoát lũ.
    • Độ dốc: $6.565\text{ km}^2$ (66% diện tích) có độ dốc trên 20%. Tiểu lưu vực Sông Bung dốc nhất với 80% diện tích có độ dốc trên 20%, Thành Mỹ 79,2%, Sông Côn 73%, Nông Sơn 67,2%.

Bảng: Đặc trưng hình học và độ dốc của một số dòng sông chính trên lưu vực

STT Tên sông Chiều dài sông ($km$) Độ dốc lòng sông ($%$)
1 Dak My 110,0 0,71
2 Cái 48,9 1,44
3 Vu Gia 77,1 0,02
4 Bung 104,5 0,54
5 Côn 1 36,6 0,85
6 Tranh 116,7 0,32
7 Khang 39,7 0,14
8 Thu Bồn 61,3 0,02
  • Đặc điểm kinh tế - xã hội và cơ sở hạ tầng:
    • Dân số năm 2014 là 2.235.000 người (mật độ $217,7\text{ người/km}^2$), trong đó vùng đồng bằng tập trung 1.634.000 người (chiếm 70,4%). Hạ du có khoảng 100.775 ngôi nhà, trong đó trên 70% là nhà cấp bốn.
    • Hồ chứa thủy lợi, thủy điện: Toàn lưu vực có 72 hồ chứa thủy lợi với tổng dung tích trên 150 triệu $m^3$ (11 hồ vừa có tổng dung tích hữu ích 133,36 triệu $m^3$, dung tích phòng lũ 41,44 triệu $m^3$). Quy hoạch thủy điện gồm 42 dự án (10 dự án lớn do Bộ Công Thương phê duyệt với 7 dự án đã phát điện, 3 dự án đang xây dựng; 32 dự án vừa và nhỏ). Dung tích phòng lũ của các hồ thủy điện lớn là 146,44 triệu $m^3$, chỉ chiếm gần 2,7% tổng lượng lũ 5 ngày tần suất 10% tại trạm Ái Nghĩa và Giao Thủy.
    • Đập dâng thủy lợi: Vùng hạ du có 5 đập dâng lớn gây thu hẹp dòng chảy thoát lũ mùa lũ.

Bảng: Thông số kỹ thuật của 5 đập dâng vùng hạ du

TT Tên đập dâng Cao trình MNDTK ($m$) Kích thước một cửa: $B$ ($m$) Kích thước một cửa: $H$ ($m$) Số cửa điều tiết Cao trình đáy cống ($m$)
1 An Trạch +2,0 4,00 4,50 12 -2,00
2 Bầu Nít +2,0 4,20 3,80 6 -2,00
3 Hà Thanh +2,0 2,35 1,85 7 0,56
4 Thanh Quýt +2,0 3,80 2,50 6 -0,50
5 Duy Thành +1,1 20,00 2,20 4 -1,10
Tổng 35

Tại mực nước thiết kế (độ sâu trung bình $5,9\text{ m}$), diện tích mặt cắt ướt giảm từ $1.520\text{ m}^2$ xuống $857\text{ m}^2$. Tại mực nước Báo động III tại Câu Lâu (độ sâu $7,9\text{ m}$), diện tích mặt cắt ướt giảm từ $2.131\text{ m}^2$ xuống $1.070\text{ m}^2$ (giảm khoảng 50%). - Hạ tầng giao thông: Toàn lưu vực có 686 cầu, 4 cống thủy lợi, $4.957\text{ km}$ đường bộ và $75\text{ km}$ đường sắt. Khẩu độ thoát nước chưa đảm bảo trên các tuyến Quốc lộ 1A, Tỉnh lộ 607, 608, 609 gây cản trở dòng lũ.

Chương 2: Cơ sở khoa học và thực tiễn phương pháp tính mưa, lũ cực hạn

Chương 2 tập trung phân tích các đặc trưng mưa, dòng chảy lũ lịch sử và cơ sở lý thuyết của các phương pháp xác định PMP, PMF.

  • Đặc điểm mưa lũ lớn trên lưu vực:
    • Mạng lưới quan trắc: Mật độ trạm không đều, chỉ có 3 trạm quan trắc trên vùng thượng nguồn (Hiên, Khâm Đức, Trà Mi) trên tổng số 18 trạm; chuỗi quan trắc đa số dưới 40 năm (1976–2012).
    • Phân bố mưa năm: Lượng mưa năm trung bình lưu vực đạt 2.500–4.000 mm. Mùa mưa (tháng IX–XII) chiếm 70% lượng mưa năm; 2 tháng mưa lớn nhất (tháng X và XI) chiếm 40–50%. Vùng đón gió phía Đông dãy Trường Sơn (Khâm Đức, Trà Mi) có lượng mưa năm cao gấp 1,5–2 lần vùng đồng bằng (Đà Nẵng, Hội An).
    • Quan hệ Cường độ - Thời đoạn - Tần suất mưa (IDF): Cường độ mưa 1 ngày tần suất 1% tại các trạm đều vượt $500\text{ mm/ngày}$ (Hiên: $509\text{ mm/ngày}$, Đà Nẵng: $540\text{ mm/ngày}$, Trà Mi: $561\text{ mm/ngày}$, Hội An: $620\text{ mm/ngày}$). Mức độ tập trung mưa thời đoạn ngắn theo hướng Đông Nam lớn hơn hướng Tây Bắc.
    • Quan hệ Tổng lượng - Diện tích - Thời đoạn mưa (DAD): Dựa trên số liệu vệ tinh NASA cho 6 trận mưa lũ lớn. Mức triết giảm lượng mưa trên diện tích $10.000\text{ km}^2$ ứng với thời đoạn 24 giờ và 48 giờ lần lượt là 23% và 14% so với tâm mưa.
    • Phân bố mưa theo thời gian: Phân tích 32 trận mưa tại 4 trạm đại diện cho thấy thời đoạn mưa trung bình khoảng 3 ngày; hệ số lệch đỉnh $r = T_p/T_b$ trung bình từ 0,42 đến 0,59, thể hiện lượng mưa tập trung chủ yếu vào giữa trận.

Bảng: Đặc trưng phân phối mưa dạng tam giác tại các trạm quan trắc

Trạm Thời đoạn $T_b$ (ngày) [Min - TB - Max] Tổng lượng mưa $S$ (mm) [Min - TB - Max] Độ lệch đỉnh $r$ (không thứ nguyên) [Min - TB - Max]
Hiên 2 - 3 - 4 167 - 429 - 1310 0,22 - 0,42 - 0,66
Đà Nẵng 2 - 3 - 5 190 - 377 - 904 0,38 - 0,59 - 0,78
Hội An 3 - 4 - 4 233 - 539 - 1205 0,35 - 0,52 - 0,64
Trà My 2 - 3 - 7 198 - 537 - 1163 0,27 - 0,50 - 0,75
  • Đặc điểm dòng chảy lũ:
    • Quan hệ VDF: Phân tích tại trạm Thành Mỹ (sông Vu Gia) và Nông Sơn (sông Thu Bồn) cho thấy mức gia tăng lượng lũ lớn nhất nằm trong thời đoạn 12 giờ đầu. Khả năng sinh lũ và thời gian duy trì lũ của sông Thu Bồn lớn hơn sông Vu Gia (tổng lượng lũ 5 ngày trên $1\text{ km}^2$ tại Thu Bồn đạt 1,0 triệu $m^3$, trong khi Vu Gia đạt 0,7 triệu $m^3$).
    • Quan hệ HDF: Phân tích tại trạm Ái Nghĩa và Câu Lâu cho thấy thời gian duy trì mực nước trên Báo động III tại Ái Nghĩa dao động từ 60 giờ (tần suất 10%) đến trên 120 giờ (tần suất 1%), lớn hơn trạm Câu Lâu (từ 48 giờ đến 96 giờ).
  • Lựa chọn phương pháp: Luận án chọn phương pháp thống kê kết hợp cực đại hóa để tính PMP; sử dụng bộ mô hình tích hợp HEC-HMS (thủy văn mưa - dòng chảy), MIKE 11 (thủy lực mạng lưới sông 1D) và MIKE 21 / MIKE FLOOD (ngập lụt 2D) để mô phỏng lũ PMF.

Chương 3: Tính mưa, lũ cực hạn cho lưu vực Vu Gia-Thu Bồn

Chương 3 trình bày các kết quả tính toán số trị PMP, thiết lập và kiểm định mô hình thủy văn - thủy lực, tính toán dòng chảy lũ PMF tại các tuyến đập và cửa ra tiểu lưu vực, cùng đánh giá rủi ro ngập lụt hạ du.

  • Tính toán lượng mưa cực hạn (PMP):

    • Theo phương pháp thống kê: Phân tích chuỗi số liệu lượng mưa ngày lớn nhất tại các trạm, xác định hệ số $K_m$ và đánh giá mức độ phù hợp qua 4 hàm phân bố xác suất lý thuyết (Gamma, Weibull, Log-normal, GEV).
    • Theo phương pháp cực đại hóa: Sử dụng số liệu trận mưa bão lịch sử tháng 11/1999 làm trận bão điển hình. Xác định nhiệt độ điểm sương 12 giờ lớn nhất, tốc độ gió lớn nhất, từ đó tính hệ số hiệu chỉnh lượng ẩm ($K_a$), hệ số hiệu chỉnh tốc độ gió ($K_v$) và hệ số hiệu chỉnh tổng hợp ($K_{hc}$).
    • Lựa chọn giá trị PMP phù hợp cho từng trạm và diện tích lưu vực.

  • Thiết lập và hiệu chỉnh mô hình mô phỏng lũ PMF:

    • Mô hình HEC-HMS: Thiết lập cho 4 tiểu lưu vực thượng nguồn (Thành Mỹ, Nông Sơn, Sông Bung, Sông Côn), chia thành các đơn vị thủy văn HRU với các thông số thủy động lực học mặt đệm.
    • Mô hình MIKE 11 & MIKE FLOOD: Thiết lập mạng lưới sông hạ du và địa hình vùng đồng bằng trũng ngập.
    • Hiệu chỉnh và kiểm định:
      • Hiệu chỉnh mô hình với trận lũ lịch sử từ 01 đến 08/11/1999 tại các trạm thủy văn Thành Mỹ, Nông Sơn (dòng chảy) và Ái Nghĩa, Câu Lâu, Hội An, Cẩm Lệ (mực nước).
      • Kiểm định mô hình với trận lũ từ 10 đến 16/11/2007 và trận lũ từ 28/9 đến 02/10/2009; so sánh cao độ mực nước mô phỏng với vết lũ thực đo.

  • Tính toán đỉnh lũ PMF và tương quan với lũ thiết kế:

    • Tính toán lưu lượng đỉnh lũ PMF ứng với lượng mưa PMP 1 ngày và các dạng phân bố lũ năm 1999, năm 2009 tại cửa ra các tiểu lưu vực và tại các tuyến đập hồ chứa thủy điện trên lưu vực.
    • Phân tích sự triết giảm mô đun đỉnh lũ PMF theo diện tích lưu vực các hồ chứa.
    • Xác lập quan hệ giữa lưu lượng lũ PMF và lưu lượng thiết kế ($Q_{TK}$), kiểm tra ($Q_{KT}$) tại các công trình hồ đập, xây dựng đường cong hệ số hiệu chỉnh $K_{hc}$ theo độ lặp lại thiết kế.

  • Mô phỏng ngập lụt hạ du và đề xuất giải pháp:

    • Sử dụng MIKE FLOOD mô phỏng bản đồ ngập lụt ứng với trận lũ PMF và so sánh với kịch bản mưa lũ tần suất $0,01%$ ($P = 0,01%$).
    • Đánh giá diện tích ngập phân theo các cấp độ sâu ngập và phân bố diện tích theo trường vận tốc dòng chảy lũ.
    • Đề xuất các giải pháp quản lý lũ PMF và lũ lớn: giải pháp quản lý vận hành liên hồ chứa, nâng cao năng lực thoát lũ qua các đập dâng và hệ thống cầu cống giao thông, quy hoạch dân cư và quản lý rủi ro thiên tai vùng hạ du.

Kết quả và những đóng góp mới

  • Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:

    1. Đã phân tích, đánh giá các tồn tại của các phương pháp tính toán mưa cực hạn (PMP) tại Việt Nam, từ đó lựa chọn phương pháp và xác định hệ số $K_{PMP}$ thích hợp thông qua phân tích phân bố xác suất thống kê (GEV, Gamma, Weibull, Log-normal), phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa và điều kiện chuỗi số liệu quan trắc ngắn.
    2. Xác định được cơ sở khoa học để tính toán chuyển đổi từ mưa cực hạn (PMP) sang lũ cực hạn (PMF) bằng tổ hợp mô hình thủy văn - thủy lực số trị (HEC-HMS, MIKE 11, MIKE FLOOD) xét đến sự phân bố không gian, thời gian của mưa bão và đặc tính mặt đệm (HRU).

  • Những đóng góp mới về mặt thực tiễn:

    1. Xác định được giá trị lượng mưa cực hạn PMP và lưu lượng lũ cực hạn PMF trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn tại cửa ra các tiểu lưu vực và tại các tuyến công trình hồ chứa thủy lợi, thủy điện trọng điểm.
    2. Đề xuất phương pháp và đường cong tương quan xác định nhanh giá trị lũ PMF tại các hồ chứa từ các thông số thiết kế hiện có, phục vụ công tác kiểm tra, đánh giá an toàn hồ đập.
    3. Xây dựng bản đồ ngập lụt chi tiết và trường vận tốc dòng chảy hạ du ứng với kịch bản lũ PMF, cung cấp cơ sở định lượng cho công tác quy hoạch không gian thoát lũ, điều chỉnh quy trình vận hành liên hồ chứa và lập phương án ứng phó khẩn cấp thiên tai.

  • Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

    • Quản lý an toàn hồ đập: Rà soát, kiểm toán an toàn đập và khả năng xả lũ của các hồ chứa thượng nguồn theo kịch bản lũ cực hạn PMF; áp dụng công thức tính nhanh PMF trong giai đoạn quy hoạch và rà soát an toàn định kỳ.
    • Hạ tầng thoát lũ: Điều chỉnh khẩu độ thoát nước tại các công trình giao thông trọng yếu (Quốc lộ 1A, Tỉnh lộ 607, 608, 609); thực hiện quy trình mở hạ toàn bộ cửa van của 5 đập dâng hạ du (An Trạch, Hà Thanh, Bầu Nít, Thanh Quýt, Duy Thành) trước khi đỉnh lũ về để khôi phục diện tích mặt cắt ướt thoát lũ.
    • Phi công trình: Hiện đại hóa mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn tự động ở vùng thượng nguồn; kết hợp dữ liệu radar và vệ tinh để nâng cao chất lượng dự báo mưa lớn thời đoạn ngắn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của nghiên cứu:

    • Mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn vùng thượng nguồn còn thưa thớt (chỉ có 3 trạm đo mưa Hiên, Khâm Đức, Trà Mi trên toàn bộ vùng núi), gây khó khăn cho việc nắm bắt đầy đủ sự phân bố mưa theo không gian.
    • Chuỗi số liệu quan trắc tại hầu hết các trạm có độ dài dưới 40 năm (chủ yếu từ 1976–2012) và chủ yếu là số liệu mưa ngày, làm hạn chế độ chính xác khi phân tích tần suất mưa thời đoạn ngắn dưới 24 giờ.
    • Việc xây dựng đường cong DAD phải phụ thuộc vào số liệu mưa viễn thám từ vệ tinh NASA do thiếu trạm đo mưa tự động mật độ cao tại vùng tâm mưa.

  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:

    • Tiếp tục cập nhật chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn mới, kết hợp dữ liệu radar thời tiết và mô hình khí hậu khu vực để nâng cao độ phân giải không gian - thời gian của mưa PMP.
    • Mở rộng phạm vi ứng dụng phương pháp luận tính PMP, PMF và công thức xác định nhanh PMF cho các hệ thống lưu vực sông khác tại khu vực miền Trung và trên phạm vi cả nước.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng hưởng lợi và ứng dụng:

    • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên: Tài liệu tham khảo trong các chuyên ngành Thủy văn học, Kỹ thuật tài nguyên nước, Quản lý rủi ro thiên tai và Biến đổi khí hậu.
    • Kỹ sư tư vấn quy hoạch và thiết kế: Áp dụng phương pháp tính PMP, PMF và công thức tính nhanh PMF trong thiết kế, kiểm tra khẩu độ xả lũ công trình hồ đập thủy lợi, thủy điện và công trình cầu cống giao thông.
    • Cơ quan quản lý nhà nước: Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Bộ Công Thương, Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn, UBND tỉnh Quảng Nam và TP. Đà Nẵng sử dụng số liệu bản đồ ngập lụt và lưu lượng PMF để rà soát quy hoạch liên hồ chứa và quy hoạch phòng chống lũ hạ du.

  • Các nội dung đáng tham khảo:

    • Bộ thông số phân phối mưa dạng tam giác và đường cong IDF, DAD tại Chương 2.
    • Phương pháp xác định hệ số $K_{PMP}$ qua phân bố xác suất lý thuyết và quy trình hiệu chuẩn, kiểm định mô hình HEC-HMS tích hợp MIKE 11, MIKE FLOOD tại Chương 3.
    • Bảng thông số kỹ thuật 5 đập dâng và mức độ thu hẹp mặt cắt thoát lũ tại Chương 1.

Câu hỏi thường gặp

1. Mưa cực hạn (PMP) và lũ cực hạn (PMF) được định nghĩa như thế nào trong luận án? Theo WMO (1986) được trích dẫn trong luận án, mưa cực hạn (PMP) là lượng nước mưa lớn nhất về mặt lý thuyết có khả năng xảy ra trên một khu vực lãnh thổ xác định trong một khoảng thời gian nhất định trong năm. Lũ cực hạn (PMF) là trận lũ lớn nhất về mặt lý thuyết sinh ra bởi tổ hợp các điều kiện khí tượng thủy văn bất lợi nhất có thể hình dung được xảy ra trên một lưu vực cụ thể.

2. Mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn có những hạn chế gì ảnh hưởng đến tính toán thủy văn? Mạng lưới có 18 trạm quan trắc nhưng phân bố không đều, vùng thượng nguồn rộng lớn chỉ có 3 trạm đo mưa (Hiên, Khâm Đức, Trà Mi). Phần lớn các trạm có chuỗi số liệu dưới 40 năm (từ năm 1976 đến 2012, riêng trạm Đà Nẵng từ 1961) và chủ yếu đo mưa theo ngày, gây khó khăn cho việc nghiên cứu biến động mưa thời đoạn ngắn và tính toán tần suất thiết kế nhỏ ($1%$ hoặc $0,1%$).

3. Sự hiện diện của 5 đập dâng thủy lợi vùng hạ du làm suy giảm khả năng thoát lũ như thế nào? Năm đập dâng lớn (An Trạch, Hà Thanh, Bầu Nít, Thanh Quýt, Duy Thành) có tổng cộng 35 cửa điều tiết. Khi mực nước đạt cao trình thiết kế (độ sâu trung bình $5,9\text{ m}$), diện tích mặt cắt ướt giảm từ $1.520\text{ m}^2$ xuống $857\text{ m}^2$. Khi lũ đạt Báo động III tại Câu Lâu (độ sâu trung bình $7,9\text{ m}$), diện tích mặt cắt ướt giảm từ $2.131\text{ m}^2$ xuống $1.070\text{ m}^2$, tương ứng mức suy giảm khoảng 50% khả năng thoát lũ qua mặt cắt lòng dẫn.

4. Dung tích phòng lũ của các hồ chứa thủy điện trên lưu vực Vu Gia - Thu Bồn đóng góp được bao nhiêu phần trăm trong việc cắt lũ hạ du? Theo số liệu trong luận án, tổng dung tích phòng lũ của các hồ thủy điện lớn trên lưu vực là 146,44 triệu $m^3$. Dung tích này chỉ chiếm gần 2,7% so với tổng lượng lũ 5 ngày tần suất 10% tại trạm thủy văn Ái Nghĩa và Giao Thủy, do đó hiệu quả cắt, giảm lũ hạ du đối với những trận lũ lớn và kéo dài là rất hạn chế.

5. Các hàm phân bố xác suất lý thuyết nào đã được luận án sử dụng để phân tích chuỗi hệ số tần suất $K_m$ trong tính toán PMP? Luận án sử dụng 4 hàm phân bố xác suất lý thuyết gồm: hàm Gamma, hàm Weibull, hàm Log-normal và hàm Giá trị cực hạn tổng quát (GEV - Generalized Extreme Value) để đánh giá phân bố của chuỗi $K_m$ tại các trạm quan trắc trên lưu vực.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Dương Quốc Huy đã giải quyết bài toán xác định mưa cực hạn (PMP) và lũ cực hạn (PMF) cho lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn thông qua việc kết hợp phương pháp thống kê, phương pháp cực đại hóa và tổ hợp mô hình số trị HEC-HMS, MIKE 11, MIKE FLOOD. Nghiên cứu đã làm rõ đặc trưng mưa lũ cực hạn, đánh giá mức độ cản lũ của hệ thống đập dâng và công trình giao thông hạ du, đồng thời xây dựng công cụ xác định nhanh PMF phục vụ kiểm tra an toàn hồ đập. Kết quả tính toán và hệ thống bản đồ ngập lụt trong luận án cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn phục vụ công tác quy hoạch tài nguyên nước, quản lý rủi ro thiên tai và bảo đảm an toàn hệ thống công trình thủy lợi, thủy điện trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn.