I. Tổng quan nghiên cứu mưa lũ vùng núi Đông Bắc Việt Nam
Vùng núi Đông Bắc Việt Nam gồm các tỉnh như Bắc Kạn, Lạng Sơn, Cao Bằng, Thái Nguyên. Địa hình phức tạp, độ dốc lớn. Mưa lũ xuất hiện thường xuyên và có xu hướng biến động mạnh theo từng thập kỷ. Các công trình giao thông tại đây chịu áp lực lớn từ lũ quét và lũ ống. Nhiều cầu cống, đường bộ bị hư hại nghiêm trọng sau mỗi mùa mưa. Số liệu quan trắc mưa tại khu vực này được thu thập từ hàng chục trạm đo qua nhiều thập kỷ, từ năm 1958 đến 2014. Tuy nhiên, mạng lưới trạm đo dòng chảy còn thưa thớt và nhiều trạm đã ngừng hoạt động. Điều này gây khó khăn lớn cho việc tính toán lũ thiết kế. Luận án tiến sĩ của Doãn Thị Nội tại Trường Đại học Thủy lợi năm 2016 đã hệ thống hóa dữ liệu, phân tích xu thế biến động mưa lũ và đề xuất cơ sở khoa học phục vụ thiết kế công trình giao thông trong điều kiện số liệu hạn chế. Đây là công trình nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao cho quy hoạch hạ tầng giao thông miền núi phía Bắc.
1.1. Đặc điểm địa lý và khí hậu vùng Đông Bắc
Vùng Đông Bắc Việt Nam có địa hình hiểm trở với nhiều dãy núi cao trên 1.000 mét. Lượng mưa trung bình năm dao động từ 1.200 đến 2.800 mm tùy tiểu vùng. Mùa mưa tập trung từ tháng 5 đến tháng 9, chiếm trên 80% tổng lượng mưa cả năm. Các lưu vực sông nhỏ, độ dốc lớn, thời gian tập trung dòng chảy ngắn. Lũ hình thành nhanh và đỉnh lũ cao. Thảm phủ rừng suy giảm làm tăng hệ số dòng chảy mặt. Đây là những yếu tố làm gia tăng mức độ nguy hiểm của lũ với công trình giao thông.
1.2. Hiện trạng mạng lưới trạm quan trắc mưa và dòng chảy
Tỉnh Bắc Kạn có 26 trạm đo mưa, trong đó có 4 trạm đo mưa theo giờ như Bắc Kạn, Chợ Rã, Ngân Sơn, Bắc Sơn. Tỉnh Lạng Sơn có 24 trạm đo mưa với các trạm dài hạn như Văn Lãng, Lộc Bình từ năm 1958. Số liệu dòng chảy giờ rất thiếu, phần lớn trạm thủy văn đã ngừng hoạt động. Tình trạng này buộc các nhà nghiên cứu phải sử dụng các phương pháp gián tiếp và mô hình toán để ước tính lũ thiết kế cho các lưu vực không có số liệu đo đạc.
II. Phân tích biến động mưa lũ và thách thức tính lũ thiết kế
Mưa lũ tại vùng núi Đông Bắc có xu hướng biến động phi tuyến theo thời gian. Phân tích chuỗi số liệu từ các trạm đo dài hạn cho thấy tần suất xuất hiện mưa cực đoan tăng rõ rệt trong các thập kỷ gần đây. Cường độ mưa lớn nhất trong 1 giờ tại nhiều trạm vượt 100 mm, gây ra lũ quét nguy hiểm. Tính toán lũ thiết kế cho công trình giao thông miền núi gặp nhiều khó khăn do thiếu số liệu thực đo. Các phương pháp thống kê truyền thống như phân bố Log Normal, Pearson III, Gumbel đòi hỏi chuỗi số liệu dài. Với các lưu vực không có số liệu, phải dùng phương trình hồi quy vùng hoặc đường lũ đơn vị tổng hợp SCS. Mô hình WinTR55 phù hợp với lưu vực nhỏ dưới 65 km². Tại Mỹ, phương pháp này cho kết quả tốt nhờ hệ thống bản đồ cường độ mưa chi tiết toàn quốc. Việt Nam chưa có hệ thống tương đương, tạo ra khoảng trống lớn trong thiết kế công trình thủy lợi và giao thông vùng núi.
2.1. Xu thế biến đổi mưa cực đoan trong dài hạn
Phân tích chuỗi số liệu mưa ngày tại các trạm Phủ Thông, Yên Lạc, Lạng Sơn từ những năm 1958 đến 2014 cho thấy lượng mưa ngày lớn nhất có xu hướng tăng. Số ngày mưa lớn trên 50 mm mỗi năm cũng gia tăng ở nhiều trạm. Hiện tượng biến đổi khí hậu làm thay đổi phân phối mưa trong năm, thu ngắn mùa mưa nhưng tăng cường độ. Các trận mưa lớn bất thường xảy ra ngay cả trong tháng khô hạn, gây lũ cục bộ nguy hiểm cho hạ tầng giao thông chưa được tính toán cho kịch bản này.
2.2. Hạn chế của số liệu dòng chảy và tác động đến thiết kế
Phần lớn trạm thủy văn tại Bắc Kạn và Lạng Sơn đã ngừng hoạt động trước năm 1991. Chuỗi số liệu lưu lượng giờ gần như không có cho các lưu vực nhỏ dưới 100 km². Điều này khiến kỹ sư thiết kế phải dùng công thức kinh nghiệm với hệ số bất định cao. Sai số trong tính lũ thiết kế có thể lên tới 30-50%, dẫn đến cống cầu bị vỡ hoặc lãng phí khi thiết kế thừa năng lực. Nghiên cứu hệ thống hóa các phương pháp và xây dựng phương trình hồi quy vùng là hướng tiếp cận cần thiết để giảm bất định này.
III. Phương pháp khoa học tính lũ cho công trình giao thông miền núi
Nghiên cứu đề xuất hệ thống phương pháp tính lũ phân cấp theo điều kiện số liệu có sẵn. Với lưu vực có số liệu thực đo đủ dài, áp dụng phương pháp thống kê xác suất với phân bố phù hợp như Log Normal, Pearson III hoặc Gumbel. Với lưu vực không có số liệu, ưu tiên phương trình hồi quy vùng xây dựng từ đặc trưng địa lý thủy văn. Mô hình quan hệ áp dụng cho lưu vực rất nhỏ dưới 1,3 km² với thời gian tập trung dòng chảy dưới 1 giờ. Phương pháp NRCS (SCS) cho lưu vực vừa với số liệu mưa là đầu vào chính. Phương trình hồi quy vùng theo USGS sử dụng các biến như diện tích lưu vực, lượng mưa trung bình năm và độ dốc. Nghiên cứu đã xây dựng bộ tham số hồi quy riêng cho vùng Đông Bắc dựa trên số liệu thực đo tại các lưu vực có đo. Kết quả kiểm định cho thấy sai số tương đối giảm đáng kể so với áp dụng công thức chung toàn quốc.
3.1. Phương pháp thống kê xác suất và phân bố tần suất lũ
Phân bố Pearson III được sử dụng phổ biến nhất tại Việt Nam do phù hợp với đặc tính lũ vùng nhiệt đới gió mùa. Phân bố Log Normal cho kết quả ổn định với chuỗi số liệu ngắn hơn 30 năm. Phân bố Gumbel thường dùng cho lũ cực đoan ở lưu vực lớn. Việc lựa chọn phân bố phù hợp phải dựa trên kiểm định thống kê như Chi-square hoặc Kolmogorov-Smirnov. Đối với vùng Đông Bắc, nghiên cứu đã so sánh các phân bố và xác định phân bố tối ưu cho từng nhóm lưu vực theo đặc trưng địa hình.
3.2. Xây dựng phương trình hồi quy vùng Đông Bắc
Phương trình hồi quy vùng được xây dựng dựa trên dữ liệu từ các lưu vực có đo đạc đủ dài. Các biến đầu vào gồm diện tích lưu vực A (km²), lượng mưa trung bình năm P (mm) và độ dốc lưu vực. Kết quả cho thấy diện tích lưu vực và lượng mưa năm là hai biến giải thích quan trọng nhất. Phương trình được kiểm định chéo với 30% dữ liệu giữ lại. Sai số tương đối trung bình đạt mức chấp nhận được dưới 25% cho hầu hết lưu vực trong vùng nghiên cứu, phù hợp với yêu cầu thiết kế cầu cống cấp đường miền núi.
IV. Kết luận và ứng dụng tính lũ cho giao thông vùng núi
Nghiên cứu đã hoàn thành hệ thống phương pháp tính lũ thiết kế phù hợp với điều kiện thực tế vùng núi Đông Bắc Việt Nam. Kết quả cung cấp cơ sở khoa học trực tiếp cho thiết kế cầu cống, cống thoát nước và công trình bảo vệ đường bộ. Bộ phương trình hồi quy vùng đã được hiệu chỉnh riêng cho Bắc Kạn và Lạng Sơn, tăng độ chính xác so với áp dụng công thức quốc gia. Phân tích xu thế biến động mưa lũ cung cấp thông tin để điều chỉnh hệ số an toàn trong thiết kế. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu, các công trình giao thông mới cần tính đến kịch bản mưa cực đoan với chu kỳ lặp lại ngắn hơn trước. Kết quả nghiên cứu khuyến nghị nên tăng cường lưới trạm quan trắc thủy văn tại các lưu vực nhỏ vùng núi để cải thiện chất lượng dữ liệu đầu vào. Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong xác định đặc trưng lưu vực là hướng phát triển tiếp theo có tiềm năng lớn.
4.1. Đóng góp khoa học và giá trị thực tiễn của luận án
Luận án đã bổ sung cơ sở dữ liệu mưa lũ hệ thống cho vùng Đông Bắc, xây dựng bộ phương trình hồi quy vùng được kiểm định, và đề xuất quy trình lựa chọn phương pháp tính lũ theo điều kiện số liệu. Đây là tài liệu tham khảo quan trọng cho kỹ sư thiết kế công trình giao thông tại Bắc Kạn, Lạng Sơn, Cao Bằng. Kết quả nghiên cứu cũng hữu ích cho quy hoạch phòng chống lũ lụt cấp tỉnh và thiết kế hệ thống thoát nước đô thị miền núi đang phát triển nhanh.
4.2. Khuyến nghị và định hướng nghiên cứu tiếp theo
Cần mở rộng mạng lưới trạm đo mưa tự động theo giờ tại các lưu vực nhỏ chưa có số liệu. Áp dụng mô hình thủy văn phân tán kết hợp viễn thám để ước tính lũ vùng không có trạm đo. Nghiên cứu cập nhật định kỳ 10 năm/lần để phản ánh xu thế biến đổi khí hậu. Xây dựng bản đồ cường độ mưa thiết kế chi tiết cho toàn vùng Đông Bắc tương tự hệ thống của Mỹ là mục tiêu dài hạn cần hướng tới để nâng cao chất lượng thiết kế công trình thủy công và giao thông.
