Tổng quan luận án

Hiện tượng lũ quét tại các lưu vực sông suối miền núi là một trong những loại hình thiên tai nguy hiểm, xuất hiện nhanh, sức tàn phá lớn và gây thiệt hại nghiêm trọng về người lẫn cơ sở hạ tầng. Theo thống kê của Tổng cục Phòng chống thiên tai, trung bình mỗi năm Việt Nam xảy ra khoảng 10 đến 15 trận lũ quét, tập trung chủ yếu tại 4 khu vực: vùng núi Bắc Bộ, Trung Bộ, Tây Nguyên và Đông Nam Bộ. Riêng tại các tỉnh miền núi phía Bắc, trong gần 20 năm qua đã ghi nhận trên 300 trận lũ quét. Điển hình tại tỉnh Hà Giang, trong giai đoạn 5 năm (theo báo cáo năm 2019 của Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn), địa phương đã chịu 15 trận lũ quét làm 70 người chết, 1 người mất tích, 82 người bị thương và làm hư hỏng gần 19.853 ha hoa màu. Các đợt thiên tai nghiêm trọng ghi nhận tại huyện Vị Xuyên (tháng 7/2013, ngày 07/9/2015) và huyện Hoàng Su Phì (tháng 7/2014) cho thấy mức độ rủi ro rất cao đối với cộng đồng dân cư vùng sâu, vùng xa.

Khoảng trống nghiên cứu thực tế đặt ra là công tác cảnh báo, dự báo lũ quét trước đây chủ yếu dựa trên các mô hình tĩnh với kịch bản định sẵn, vận hành thủ công và thiếu tính cập nhật liên tục theo thời gian thực do độ trễ của số liệu đo mưa. Các phương pháp cảnh báo tức thời đã phát triển trên thế giới nhưng khi áp dụng vào Việt Nam chưa tập trung sâu cho các lưu vực nhỏ miền núi – nơi có mật độ trạm quan trắc khí tượng thủy văn rất thưa thớt và đặc trưng thủy lực lòng dẫn biến đổi phức tạp. Xuất phát từ yêu cầu đó, luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Thủy văn học (mã số 9440224) của nghiên cứu sinh Nguyễn Thế Toàn, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Trần Kim Châu và TS. Nguyễn Bá Quỳ tại Trường Đại học Thủy lợi (năm 2023), đã thực hiện đề tài: "Nghiên cứu phương pháp cảnh báo lũ quét cho lưu vực nhỏ miền núi và áp dụng thử nghiệm cho 2 lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng tỉnh Hà Giang".

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể như sau:

  1. Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu phương pháp cảnh báo lũ quét cho lưu vực nhỏ miền núi và áp dụng thử nghiệm cho 2 lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng tỉnh Hà Giang.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Xây dựng phương trình thực nghiệm xác định lưu lượng tràn bờ cho lưu vực nhỏ miền núi;
    • Xác định ngưỡng mưa định hướng sinh lũ quét (Flash Flood Guidance - FFG) dựa trên lưu lượng tràn bờ và trạng thái lưu vực tính toán từ mô hình thủy văn tự xây dựng;
    • Ứng dụng phương pháp cảnh báo lũ quét vào xây dựng công cụ cảnh báo thử nghiệm cho 2 lưu vực nghiên cứu Nậm Ly và Nà Nhùng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Lưu lượng tràn bờ ($Q_{bf}$), ngưỡng mưa định hướng sinh lũ quét ($FFG$), chỉ số mức độ nguy cơ đe dọa lũ quét ($FFT$), phương pháp và công cụ phần mềm cảnh báo lũ quét.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào các lưu vực sông nhỏ miền núi thiếu số liệu quan trắc thủy văn, thực nghiệm điển hình trên lưu vực sông Nậm Ly và sông Nà Nhùng thuộc địa bàn tỉnh Hà Giang.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu về lũ quét và cảnh báo lũ quét trên thế giới và tại Việt Nam:

1. Hướng nghiên cứu về cơ chế và bản chất vật lý: Các công trình ban đầu tại Liên Xô (công trình "Lũ bùn đá và những biện pháp phòng chống"), Pháp, Đức, Thụy Sỹ tập trung phân tích cơ chế trượt lở, bở rời vật liệu vụn trên sườn dốc khi có mưa cường độ lớn.

2. Hướng nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ quét tĩnh:

  • Chỉ số tiềm năng lũ quét FFPI (Flash Flood Potential Index) được Jeffrey Zogg và Kevin Deitsch (2013) giới thiệu, sau đó được Greg Smith (2003 tại Colorado), Brewster (2009 tại Binghamton), Kruzdlo (2010 tại Mount Holly) ứng dụng qua việc tích hợp GIS với 4 lớp dữ liệu raster (độ dốc, thảm phủ, loại đất, mật độ thực vật). Hạn chế của FFPI là mang tính chất tĩnh, không xét tới độ ẩm đất và dòng chảy tức thời.
  • Tại Việt Nam, hướng phân vùng tĩnh được thực hiện bởi Trần Viết Ổn (2006 tại Điện Biên, Sơn La), Nguyễn Trọng Yêm và nnk (2006 tại Sa Pa, Bát Xát, TP. Lào Cai), Phạm Thị Hương Lan và nnk (2007 tại Cao Bằng, Bắc Kạn, Thái Nguyên), Lã Thanh Hà (2009 tại Yên Bái), Nguyễn Lập Dân và nnk (2011 tại sông Cái Phan Rang, Quảng Trị). Các nghiên cứu này chủ yếu chồng ghép trọng số định tính, chưa định lượng rủi ro theo thời gian thực.

3. Hướng nghiên cứu cảnh báo dựa trên ngưỡng mưa:

  • Ngưỡng mưa tĩnh/mô hình: Forestieri (2016) sử dụng mô hình TOPDM tại Sicilian; Golian và nnk (2010) kết hợp mô phỏng Monte Carlo với mô hình HEC-HMS (các phương pháp SCS-CN, Green-Ampt, Muskingum) tại lưu vực Madarsoo (Iran).
  • Phương pháp Đường tới hạn (Critical Line - CL) do Bộ Xây dựng Nhật Bản (2005) ban hành, phân tích quan hệ giữa lượng mưa hoạt động tích lũy và lượng mưa giờ. Tại Việt Nam, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường (2009) đã áp dụng xây dựng 37 đường CL cho 37 lưu vực thuộc 14 tỉnh miền núi phía Bắc, tuy nhiên mạng lưới đo mưa thưa thớt khiến độ chính xác bị hạn chế. Ngô Đình Tuấn (2000) trong dự án VIE/97/002 cũng thiết lập quan hệ ngưỡng mưa cố định.

4. Hướng nghiên cứu ngưỡng mưa định hướng sinh lũ quét (FFG) và lưu lượng tràn bờ ($Q_{bf}$):

  • Sweeney và nnk (NOAA, 1992) cùng Konstantine P. Georgakakos và nnk (Hydrologic Research Center - HRC, 2006, 2013, 2018) phát triển hệ thống Flash Flood Guidance System (FFGS) dựa trên công thức $Q_{bf} = q_p \cdot R \cdot A$ (với $q_p$ là đỉnh lũ đơn vị, $R$ là lượng mưa hiệu quả, $A$ là diện tích lưu vực). Hapuarachchi và nnk (2011) tổng kết các tiến bộ trong dự báo lũ quét và chỉ ra phương pháp so sánh mưa dự báo với FFG là hướng đi phổ biến.
  • Tại Việt Nam, dự án VNFFGS (2012–2017) của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu và nghiên cứu của Trung tâm Dự báo KTTV Quốc gia (2020, dựa trên MRCFFGS của Ủy hội sông Mê Công) đã tiếp cận FFG. Tuy nhiên, hệ thống VNFFGS chủ yếu tập trung cho miền Trung và Tây Nguyên, nguồn mưa dự báo WRF hạn chế ở các ngưỡng mưa lớn trên 30 mm; việc xác định $Q_{bf}$ cho các lưu vực nhỏ vùng núi Bắc Bộ chưa được tính toán chi tiết từ khảo sát thực địa.

5. Tổng quan về xác định lưu lượng tràn bờ ($Q_{bf}$):

  • Công thức thực nghiệm: Viện Thủy lực Đan Mạch (1978), Hey (1975), Williams (1978: $Q_{bf} = 4 F^{1.28}$), Schumm (1968), Carlston (1965), Chang (1979).
  • Thời kỳ lặp lại: Leopold (1964) đề xuất chu kỳ 1,5 năm (từ 13 trạm đo tại Mỹ); Nixon (1959) xác định tần suất 0,6% tại Anh và Xứ Wales; Pickup (1976) phân tích tại Cumberland.
  • Dấu hiệu nhận biết mực nước tràn bờ trên thực địa: McCandless (2003), Doll (2003), Krstolic (2007), Mulvihill (2009), Blanton (2010), Bent (2013) tại các bang của Hoa Kỳ đã chuẩn hóa 6-7 dấu hiệu nhận diện cao trình tràn bờ.
  • Phương trình tương quan đa biến: Benson (1962), Carpenter (1999), Ahearn (2004), Lumia (2006 tại New York với 388 trạm đo và 14 biến hình thái lưu vực).

Khoảng trống mà luận án giải quyết: Xây dựng phương pháp xác định lưu lượng tràn bờ ($Q_{bf}$) bằng cách kết hợp khảo sát dấu hiệu thực địa với phân tích hồi quy đa biến theo các đặc trưng lưu vực số hóa (GIS/DEM); phát triển một mô hình thủy văn mưa - dòng chảy liên tục (CTM) độc lập viết bằng Java để cập nhật trạng thái ẩm mặt đệm theo thời gian thực từ mạng lưới trạm đo mưa tự động; từ đó tính toán động ngưỡng FFG và chỉ số đe dọa lũ quét FFT phục vụ cảnh báo chi tiết đến cấp tiểu lưu vực/thôn bản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  • Lũ quét (Flash flood): Luận án kế thừa định nghĩa của WMO (1981), AMS (2005), US NWS (2018) và tiếp cận: Lũ quét là những trận lũ xảy ra bất ngờ trong thời gian ngắn với đỉnh lũ tương đối lớn, xuất hiện trên sông suối miền núi và gây tràn bờ.
  • Ngưỡng tràn bờ (Bankfull stage - SBF) và Lưu lượng tràn bờ (Bankfull discharge - $Q_{bf}$): Tràn bờ là hiện tượng dòng chảy vượt qua bờ tự nhiên bắt đầu tràn lên bãi ngập lụt đang hoạt động (Wolman và Miller, 1960; Williams, 1978; Sherwood, 2002). $Q_{bf}$ là lưu lượng làm đầy lòng kênh tới cao trình bờ tự nhiên, đại diện cho lưu lượng tạo hình lòng dẫn.
  • Ngưỡng mưa định hướng sinh lũ quét (FFG): Lượng mưa hiệu quả trong một thời đoạn nhất định rơi trên lưu vực đủ để sinh ra dòng chảy tại cửa ra đạt ngưỡng lưu lượng tràn bờ $Q_{bf}$.
  • Mức độ nguy cơ đe dọa lũ quét (Flash Flood Threat - FFT): Hiệu số giữa lượng mưa dự báo ($P_{forecast}$) hoặc mưa thực đo tích lũy với ngưỡng FFG tương ứng ($FFT = P - FFG$).

Phương pháp nghiên cứu

  1. Phương pháp điều tra khảo sát thực địa:
    • Khảo sát trắc dọc, trắc ngang lòng dẫn tại các vị trí đại diện (phân bố đều, gần khu dân cư, hạ tầng).
    • Nhận diện cao trình mực nước tràn bờ dựa trên 7 dấu hiệu hình thái thực địa: (1) Cao trình bãi sông nơi bắt đầu tràn bờ; (2) Cao trình đỉnh các bãi bồi tụ trong lòng sông; (3) Điểm thay đổi độ dốc bờ sông; (4) Vị trí thay đổi thành phần cấp phối hạt trầm tích; (5) Đỉnh hàm ếch xói lở bên bờ sông; (6) Ranh giới thay đổi thảm thực vật (vùng không cây sang có cây); (7) Vết đổi màu hoặc ngấn phù sa bám trên vách đá.
  2. Phương pháp thủy lực và thống kê toán học:
    • Tính toán lưu lượng ứng với mực nước tràn bờ qua công thức thủy lực Manning: $$Q = \frac{1}{n} F R^{2/3} S^{1/2}$$ (với $F$ là diện tích mặt cắt ướt, $R$ là bán kính thủy lực, $S$ là độ dốc đáy sông, $n$ là hệ số nhám lòng dẫn xác định theo Barnes, 1969). Thiết lập đường quan hệ $Q = f(Z)$.
    • Xây dựng phương trình thực nghiệm hồi quy phi tuyến dạng hàm lũy thừa giữa $Q_{bf}$ với các đặc trưng hình thái lưu vực ($F, S_{lv}, Z_{tb}, L_c, S_s, n_{lv}, CN$). Đánh giá mức độ ý nghĩa thống kê của các biến thông qua hệ số tương quan và trị số $P$-value ($p < 0,05$).
  3. Phương pháp mô hình toán thủy văn (Mô hình CTM):
    • Tác giả tự lập trình mô hình thủy văn CTM (Catchment Model) bằng ngôn ngữ Java.
    • Cấu trúc mô hình gồm 3 khối:
      • Khối lưu vực: Tính tổn thất ngấm bằng phương pháp SCS-CN hoặc mô hình bể chứa tuyến tính; tính chuyển đổi mưa hiệu quả thành dòng chảy mặt bằng phương pháp đường lũ đơn vị SCS (SCS Unit Hydrograph); tính dòng chảy ngầm bằng phương pháp đường cong nước rút (Recession Curve).
      • Khối đoạn sông: Diễn toán dòng chảy bằng phương pháp hồ chứa tuyến tính, Muskingum hoặc Muskingum-Cunge.
      • Khối kết nối: Liên kết mạng lưới các tiểu lưu vực và nhánh sông.
  4. Phương pháp Viễn thám và GIS:
    • Xử lý mô hình số độ cao DEM để trích xuất mạng lưới sông suối, ranh giới lưu vực, độ dốc lưu vực, độ dài dòng chính;
    • Phân chia đa giác Thiessen để tính toán phân bố mưa từ mạng lưới trạm đo mưa tự động.

Nguồn tư liệu và dữ liệu đầu vào

  • Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10.000 do Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành.
  • Bản đồ hiện trạng sử dụng đất và bản đồ thổ nhưỡng khu vực nghiên cứu.
  • Dữ liệu mưa tự động thời gian thực từ các trạm đo chuyên dùng lắp đặt trên 2 lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng.
  • Sản phẩm mưa dự báo từ mô hình toán khí tượng toàn cầu GEM (The Global Environment Multiscale Model).
  • Số liệu vết lũ lịch sử các đợt lũ tháng 6 và tháng 7 năm 2020 trên địa bàn huyện Hoàng Su Phì và Vị Xuyên, tỉnh Hà Giang.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ LŨ QUÉT VÀ CẢNH BÁO, DỰ BÁO LŨ QUÉT

Chương 1 tổng thuật các khái niệm, cơ chế phát sinh và các phương pháp cảnh báo lũ quét trên thế giới và ở Việt Nam. Luận án phân tích sâu về khái niệm tràn bờ và lưu lượng tràn bờ ($Q_{bf}$), chỉ ra rằng $Q_{bf}$ là chỉ tiêu phản ánh ngưỡng giới hạn chứa nước tự nhiên của lòng dẫn.

Nội dung chương tổng kết 4 cách tiếp cận chính trong cảnh báo lũ quét hiện nay cùng các hạn chế cố hữu:

  • Bản đồ tĩnh tiềm năng lũ quét (FFPI) không phản ánh được biến động độ ẩm trước trận mưa;
  • Ngưỡng mưa tĩnh/đường tới hạn CL xem nhẹ trạng thái bão hòa thay đổi theo thời gian của lưu vực;
  • Hệ thống định hướng FFG quốc tế (như Flash Flood Guidance System) gặp khó khăn khi triển khai ở lưu vực nhỏ do thiếu dữ liệu kiểm chứng và công thức tính $Q_{bf}$ chưa sát thực tế địa phương;
  • Dự báo mưa hạn ngắn từ mô hình số trị còn tồn tại sai số lớn về lượng mưa cực trị cục bộ.

Từ các phân tích này, Chương 1 xác định định hướng nghiên cứu của luận án là tích hợp khảo sát dấu hiệu thực địa với mô hình hóa thủy văn thời gian thực và phân tích đa biến để cảnh báo lũ quét cục bộ cho lưu vực nhỏ miền núi.

Chương 2: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP CẢNH BÁO LŨ QUÉT CHO LƯU VỰC NHỎ SÔNG MIỀN NÚI

Chương 2 thiết lập cơ sở khoa học và quy trình tính toán hoàn chỉnh của phương pháp cảnh báo đề xuất:

                                     [Hồi quy đa biến xác định Qbf]
                                                       [Tính ngưỡng động FFG]
                                                       [Bản đồ & Bản tin cảnh báo]

  1. Quy trình xác định lưu lượng tràn bờ thực nghiệm:

    • Lựa chọn vị trí mặt cắt điều tra dựa trên tính đại diện, khả năng tiếp cận và sự hiện diện của các dấu hiệu tràn bờ (bãi sông, hàm ếch xói lở, ranh giới thực vật...).
    • Đo đạc mặt cắt ngang, trắc dọc lòng dẫn, xác định độ dốc $S$ và hệ số nhám $n$ theo Barnes (1969).
    • Dùng phương trình Manning tính đường quan hệ mực nước - lưu lượng $Q = f(Z)$, từ đó trích xuất giá trị $Q_{bf}$ tương ứng với cao trình ngưỡng tràn bờ khảo sát.
    • Thiết lập hàm hồi quy đa biến dạng số mũ biểu diễn $Q_{bf}$ theo các tham số địa hình ($F, S_{lv}, Z_{tb}, L_c, S_s$) và mặt đệm ($CN$).

  2. Xây dựng mô hình toán mưa - dòng chảy CTM:

    • Lập trình mô hình CTM bằng Java nhằm kiểm soát thuật toán và tích hợp trực tiếp vào module xử lý dữ liệu tự động.
    • Mô hình hóa quá trình thấm, dòng chảy mặt và dòng ngầm, cho phép cập nhật liên tục đường quá trình dòng chảy tại cửa ra của từng tiểu lưu vực từ chuỗi số liệu mưa thời gian thực.

  3. Thuật toán xác định ngưỡng mưa FFG và chỉ số FFT:

    • Tại thời điểm $t$, mô hình CTM xác định lưu lượng hiện tại $Q_t$. Giả định các kịch bản mưa bổ sung trong thời đoạn $\Delta t$ (1h, 3h, 6h) cho đến khi đỉnh lũ tính toán chạm ngưỡng $Q_{bf}$. Lượng mưa giả định đó chính là ngưỡng FFG.
    • So sánh lượng mưa tích lũy/dự báo với FFG để xác định chỉ số $FFT = P - FFG$. Khi $FFT \ge 0$, hệ thống tự động kích hoạt cảnh báo nguy cơ lũ quét.

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CẢNH BÁO LŨ QUÉT CHO LƯU VỰC NẬM LY VÀ NÀ NHÙNG TỈNH HÀ GIANG

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm chi tiết khi áp dụng phương pháp nghiên cứu vào 2 lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng tỉnh Hà Giang:

1. Kết quả khảo sát thực địa và xây dựng phương trình $Q_{bf}$:

  • Khảo sát thực địa hệ thống mặt cắt ngang tại 2 lưu vực (các mặt cắt điển hình N4, N5, N6, N7, Q5, Q14...). Các dấu hiệu nhận biết mực nước tràn bờ chủ yếu gồm cao trình bãi sông bắt đầu tràn (dấu hiệu 1), điểm thay đổi độ dốc bờ sông (dấu hiệu 3), vết xói lở hàm ếch (dấu hiệu 5) và ranh giới đổi loài thực vật (dấu hiệu 6).
  • Xây dựng quan hệ $Q = f(Z)$ bằng công thức Manning và xác định giá trị $Q_{bf}$ tại từng vị trí.
  • Phân tích tương quan đơn biến và đa biến: Kết quả đánh giá mức độ ảnh hưởng của các biến độc lập chỉ ra rằng diện tích lưu vực ($F$) có tác động lớn nhất, tiếp theo là các đặc trưng độ dốc và lớp phủ mặt đệm ($CN$). Phương trình hồi quy đa biến có dạng hàm mũ được chọn lọc dựa trên tiêu chí $P$-value ($p < 0,05$).
Bảng danh mục bảng biểu và kết quả chính trong Chương 3 Nội dung mô tả trong luận án
Bảng 3.1 Vị trí khảo sát và dấu hiệu tràn bờ nhận dạng trên thực địa tại Nậm Ly và Nà Nhùng
Bảng 3.2 Mức độ ảnh hưởng của biến độc lập ($F, S_{lv}, CN, L_c, S_s$) đến lưu lượng tràn bờ
Bảng 3.3 Phương trình tương quan đa biến xác định lưu lượng tràn bờ từ các đặc trưng lưu vực
Bảng 3.4 Các phương pháp tính toán thành phần dòng chảy trong mô hình CTM
Bảng 3.5 & Bảng 3.6 Tỉ lệ trọng số trạm đo mưa của các tiểu lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng (đa giác Thiessen)
Bảng 3.7 & Bảng 3.8 Bộ thông số mô hình CTM hiệu chỉnh cho các tiểu lưu vực
Bảng 3.9 Phân tích, đánh giá hệ thống cảnh báo với 3 trận lũ tháng 6 và 7 năm 2020

2. Kết quả ứng dụng và kiểm định mô hình CTM:

  • Số hóa DEM, phân chia chi tiết các tiểu lưu vực và xác lập ma trận trọng số mưa cho từng tiểu lưu vực (Bảng 3.5, 3.6).
  • Kiểm chứng độ tin cậy của mô hình CTM: So sánh đường quá trình dòng chảy tính toán giữa mô hình CTM với mô hình chuẩn HEC-HMS cho tiểu lưu vực Nậm Ly 1 (Hình 3.19), cho thấy sự tương đồng cao về cả đỉnh lũ, thời gian xuất hiện đỉnh và tổng lượng dòng chảy.
  • Hiệu chỉnh và kiểm định thành công mô hình CTM trên tiểu lưu vực Nậm Ly 1 (Hình 3.23 và 3.24).

3. Đánh giá mô hình mưa dự báo GEM và thử nghiệm hệ thống cảnh báo:

  • Đánh giá các ô lưới của mô hình mưa số trị toàn cầu GEM (The Global Environment Multiscale Model) trên khu vực nghiên cứu; phân tích phân bố mưa ngày 05–08/7/2020 và hàm phân bố tích lũy mưa từ 19–22/7/2020 giữa GEM và trạm đo mưa tự động.
  • Xây dựng phần mềm hệ thống cảnh báo lũ quét hoàn chỉnh với giao diện Web/GIS trực quan gồm: Bản đồ cảnh báo thời gian thực, bảng thống kê ngưỡng FFG mới nhất, thống kê lưu lượng dòng chảy, giao diện chi tiết đến cấp xã, thôn/bản và module xuất dữ liệu tự động.
  • Thử nghiệm cảnh báo thành công cho 3 trận lũ điển hình năm 2020:
    • Trận lũ ngày 13–14/6/2020 gây ngập lụt tại thị trấn Quảng Nguyên (lưu vực Nậm Ly);
    • Trận lũ ngày 06/7/2020 tại thị trấn Quảng Nguyên (lưu vực Nậm Ly);
    • Trận lũ ngày 21/7/2020 tại thôn Cốc Nam, xã Bản Nhùng (lưu vực Nà Nhùng).
  • Phân tích tại Bảng 3.9 khẳng định hệ thống đã phát tín hiệu cảnh báo nguy cơ lũ quét trước khi ngập lụt thực tế xảy ra tại các điểm dân cư, minh chứng tính khả thi của phương pháp.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Xác lập cơ sở khoa học và quy trình kết hợp giữa khảo sát dấu hiệu hình thái thực địa với mô hình phân tích hồi quy đa biến để xây dựng phương trình thực nghiệm tính toán lưu lượng tràn bờ ($Q_{bf}$) cho các lưu vực nhỏ sông miền núi thiếu trạm quan trắc thủy văn.
  2. Phát triển thành công mô hình toán thủy văn CTM bằng ngôn ngữ Java có cấu trúc khối linh hoạt, cho phép tích hợp dữ liệu mưa tự động thời gian thực để cập nhật liên tục trạng thái bão hòa của lưu vực, làm cơ sở xác định ngưỡng mưa động sinh lũ quét ($FFG$) thay đổi theo thời gian.
  3. Đề xuất quy trình cảnh báo lũ quét theo thời gian thực kết hợp giữa ngưỡng FFG động, chỉ số nguy cơ FFT và mô hình mưa dự báo GEM, nâng cao độ phân giải cảnh báo đến quy mô tiểu lưu vực và cấp thôn/bản.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Xây dựng thành công phương trình thực nghiệm tính toán $Q_{bf}$ và xác định bộ thông số thủy văn cụ thể cho 2 lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng tỉnh Hà Giang.
  2. Xây dựng bộ công cụ phần mềm cảnh báo lũ quét thử nghiệm có giao diện trực quan, cung cấp các bản đồ nguy cơ và bản tin hỗ trợ các cơ quan quản lý thiên tai tại địa phương ra quyết định ứng phó.

Kiến nghị và đề xuất

  • Cần tiếp tục duy trì, mở rộng mạng lưới trạm đo mưa tự động chuyên dùng tại các vùng thượng nguồn hiểm trở nhằm tăng mật độ không gian của dữ liệu đầu vào.
  • Tích hợp thêm các nguồn dữ liệu mưa viễn thám và radar thời tiết để nâng cao chất lượng dự báo mưa cực trị thời đoạn ngắn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các nội dung tác giả trình bày tại phần tồn tại và đề xuất của luận án:

  • Hạn chế về mạng lưới đo đạc: Số lượng trạm đo mưa tự động tại các lưu vực nghiên cứu còn hạn chế, chưa phủ kín các vùng đỉnh núi cao có địa hình chia cắt phức tạp.
  • Dữ liệu khảo sát thực địa: Khối lượng điều tra trắc ngang, trắc dọc và dấu hiệu tràn bờ mới dừng lại ở một số mặt cắt trọng điểm do điều kiện đi lại vùng núi hiểm trở khó khăn.
  • Độ chính xác của mưa dự báo: Mô hình mưa dự báo GEM đôi khi còn có sự chênh lệch về thời gian và tâm mưa lớn cục bộ so với diễn biến mưa thực tế ngoài trạm đo.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Tiếp tục bổ sung số liệu khảo sát mặt cắt thực địa để nâng cao độ tin cậy cho phương trình hồi quy xác định $Q_{bf}$;
    • Thử nghiệm kết hợp đa mô hình mưa dự báo số trị khác nhau nhằm giảm thiểu sai số dự báo mưa đầu vào;
    • Nhân rộng và kiểm nghiệm phương pháp cho các lưu vực sông suối nhỏ khác trên toàn vùng miền núi phía Bắc Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu trong các lĩnh vực:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên ngành Thủy văn học, Kỹ thuật Tài nguyên nước: Cung cấp phương pháp luận chi tiết về xác định lưu lượng tràn bờ qua dấu hiệu hình thái thực địa, thuật toán lập trình mô hình thủy văn mưa - dòng chảy CTM và phương pháp tính toán ngưỡng mưa động FFG.
  • Đối với chuyên gia mô hình hóa và dự báo KTTV: Tham khảo giải pháp tích hợp số liệu đo mưa tự động trực tuyến với mô hình số trị GEM để xây dựng hệ thống cảnh báo sớm thời gian thực.
  • Đối với các cơ quan quản lý (Sở Nông nghiệp và PTNT, Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn tỉnh Hà Giang và các tỉnh miền núi): Cung cấp công cụ phần mềm, bản đồ phân vùng rủi ro và các kịch bản cảnh báo cụ thể tại các điểm nóng lũ quét (thị trấn Quảng Nguyên, xã Bản Nhùng) để chủ động sơ tán dân cư, bảo vệ tính mạng và tài sản.

Câu hỏi thường gặp

1. Tác giả luận án định nghĩa hiện tượng lũ quét và lưu lượng tràn bờ ($Q_{bf}$) như thế nào?
Luận án tiếp cận lũ quét là những trận lũ xảy ra bất ngờ trong thời gian ngắn với đỉnh lũ tương đối lớn, xuất hiện trên sông và gây tràn bờ (phù hợp với định nghĩa của WMO, 1981). Lưu lượng tràn bờ ($Q_{bf}$) được tiếp cận theo Williams (1978) là dòng chảy vừa đủ làm đầy kênh dẫn đến cao trình ngang bằng với ngưỡng bờ tự nhiên, phụ thuộc chặt chẽ vào các đặc trưng hình thái lưu vực.

2. Những dấu hiệu nhận biết thực địa nào được sử dụng để xác định mực nước tràn bờ?
Tác giả dựa trên 7 dấu hiệu hình thái thực địa (theo chuẩn của McCandless, Blanton, Bent): (1) Cao trình bãi sông bắt đầu tràn; (2) Cao trình đỉnh các bãi bồi lắng trong lòng dẫn; (3) Vị trí thay đổi độ dốc bờ sông; (4) Vị trí thay đổi cấp phối hạt trầm tích; (5) Đỉnh hàm ếch xói lở; (6) Ranh giới thay đổi loài thực vật; (7) Vết bám bùn cát hoặc đổi màu trên vách đá.

3. Cấu trúc mô hình thủy văn CTM do tác giả tự xây dựng gồm những khối nào?
Mô hình CTM được lập trình bằng ngôn ngữ Java gồm 3 khối thành phần chính: (1) Khối lưu vực (tính tổn thất theo SCS-CN/bể chứa tuyến tính, dòng chảy mặt theo SCS Unit Hydrograph, dòng ngầm theo Recession Curve); (2) Khối đoạn sông (diễn toán thủy văn bằng hồ chứa tuyến tính, Muskingum hoặc Muskingum-Cunge); (3) Khối kết nối liên kết mạng lưới tiểu lưu vực và đoạn sông.

4. Chỉ số FFT được xác định như thế nào để đưa ra cảnh báo lũ quét?
Chỉ số đe dọa lũ quét (Flash Flood Threat - FFT) được tính toán bằng cách so sánh lượng mưa thực đo hoặc mưa dự báo từ mô hình GEM với ngưỡng mưa định hướng sinh lũ quét ($FFT = P - FFG$). Nếu $FFT \ge 0$, tức lượng mưa vượt quá khả năng dung nạp của lưu vực làm mực nước vượt ngưỡng $Q_{bf}$, hệ thống sẽ kích hoạt cảnh báo nguy cơ lũ quét.

5. Hệ thống cảnh báo thử nghiệm đã được kiểm chứng qua các trận lũ lịch sử nào?
Hệ thống đã được kiểm nghiệm thực tế qua 3 đợt lũ lớn trong năm 2020 tại Hà Giang: trận lũ ngày 13–14/6/2020 và ngày 06/7/2020 tại thị trấn Quảng Nguyên (lưu vực Nậm Ly), và trận lũ ngày 21/7/2020 tại thôn Cốc Nam, xã Bản Nhùng (lưu vực Nà Nhùng).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thế Toàn đã hoàn thành mục tiêu xây dựng phương pháp cảnh báo lũ quét theo thời gian thực cho các lưu vực nhỏ sông miền núi thiếu số liệu quan trắc. Đề tài đã giải quyết bài toán xác định lưu lượng tràn bờ ($Q_{bf}$) bằng việc kết hợp điều tra dấu hiệu thực địa với phương trình hồi quy đa biến theo đặc trưng lưu vực, đồng thời phát triển thành công mô hình thủy văn CTM bằng Java để tính toán ngưỡng mưa động FFG. Kết quả thử nghiệm trên hai lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng (tỉnh Hà Giang) trong các đợt lũ năm 2020 đã chứng minh tính hiệu quả của hệ thống cảnh báo trực tuyến, mở ra khả năng chuyển giao công nghệ và nhân rộng cho các vùng miền núi có nguy cơ thiên tai cao tại Việt Nam.