I. Tổng quan mô hình toán thoát lũ sông Trà Khúc và sông Vệ
Lưu vực sông Trà Khúc và sông Vệ là trung tâm kinh tế - xã hội của tỉnh Quảng Ngãi, nơi tập trung dân cư đông đúc và các cơ sở hạ tầng quan trọng. Tuy nhiên, khu vực này thường xuyên phải đối mặt với tình trạng ngập lụt nghiêm trọng vào mùa mưa, gây thiệt hại lớn về người và tài sản. Nghiên cứu của Nguyễn Đức Diện (2011) đã chỉ ra rằng, đặc điểm địa hình dốc ở thượng lưu và thoải ở hạ lưu, kết hợp với lượng mưa lớn tập trung trong thời gian ngắn, khiến lũ lên nhanh nhưng thoát chậm. Để giải quyết vấn đề này, việc ứng dụng mô hình toán thủy văn thủy lực để đánh giá khả năng thoát lũ và đề xuất giải pháp đã trở thành một yêu cầu cấp thiết. Mô hình toán thoát lũ sông Trà Khúc và sông Vệ không chỉ là một công cụ nghiên cứu khoa học mà còn là cơ sở vững chắc cho công tác quy hoạch phòng lũ và giảm thiểu rủi ro thiên tai. Mục tiêu chính của phương pháp này là đánh giá chính xác hiện trạng thoát lũ của hệ thống sông, mô phỏng các kịch bản ngập lụt có thể xảy ra, từ đó đề xuất các giải pháp can thiệp hiệu quả như nạo vét lòng sông, mở rộng cửa sông. Cách tiếp cận này cho phép các nhà quản lý và kỹ sư lượng hóa được hiệu quả của từng phương án trước khi triển khai, giúp tiết kiệm chi phí và tối ưu hóa các biện pháp phòng chống. Việc xây dựng một bộ mô hình toán hoàn chỉnh, được hiệu chỉnh và kiểm định cẩn thận dựa trên số liệu quan trắc lịch sử, sẽ là công cụ đắc lực hỗ trợ ra quyết định, góp phần vào sự phát triển bền vững của tỉnh Quảng Ngãi.
1.1. Giới thiệu đặc điểm lưu vực sông Trà Khúc Vệ
Hệ thống lưu vực sông Trà Khúc - Vệ đóng vai trò xương sống cho sự phát triển của tỉnh Quảng Ngãi. Sông Trà Khúc có diện tích lưu vực 3.240 km², dài 135 km, trong khi sông Vệ có diện tích 1.260 km². Cả hai con sông đều bắt nguồn từ sườn Đông dãy Trường Sơn, chảy qua vùng địa hình phức tạp, dốc ở thượng nguồn và thoải dần về phía đồng bằng ven biển. Đặc điểm này tạo nên một chế độ thủy văn khắc nghiệt: lũ tập trung nhanh nhưng tiêu thoát chậm ở vùng hạ lưu, đặc biệt là hạ lưu sông Trà Khúc, nơi có thành phố Quảng Ngãi và nhiều khu dân cư. Theo niên giám thống kê 2009, khu vực này có mật độ dân số cao, với hoạt động nông nghiệp, công nghiệp và dịch vụ phát triển mạnh mẽ, do đó cực kỳ nhạy cảm với các tác động của thiên tai, đặc biệt là lũ lụt.
1.2. Vai trò mô hình toán trong giảm thiểu rủi ro thiên tai
Mô hình toán thoát lũ là một tập hợp các phương trình toán học mô tả các quá trình vật lý của dòng chảy trong sông và trên bãi bồi. Bằng cách sử dụng các phần mềm chuyên dụng, các nhà khoa học có thể tái hiện lại các trận lũ lịch sử và dự báo các kịch bản ngập lụt trong tương lai. Vai trò của mô hình là cung cấp cơ sở khoa học cho việc giảm thiểu rủi ro thiên tai. Nó giúp xác định các khu vực có nguy cơ ngập lụt cao, đánh giá mức độ an toàn của các công trình phòng chống lũ hiện có, và quan trọng nhất là thử nghiệm hiệu quả của các giải pháp cải thiện khả năng thoát lũ. Thay vì các quyết định cảm tính, mô hình toán mang lại những con số cụ thể về diện tích, độ sâu ngập, giúp các nhà hoạch định chính sách đưa ra lựa chọn tối ưu cho công tác phòng chống lụt bão Quảng Ngãi.
II. Phân tích thách thức thoát lũ tại sông Trà Khúc và Vệ
Thách thức lớn nhất đối với khả năng thoát lũ của hệ thống sông Trà Khúc và sông Vệ đến từ sự kết hợp của các yếu tố tự nhiên và tác động của con người. Về tự nhiên, khu vực này chịu ảnh hưởng của khí hậu nhiệt đới gió mùa với mùa mưa ngắn (tháng 9 đến tháng 12) nhưng tập trung tới 70-80% tổng lượng mưa cả năm. Các hình thế thời tiết cực đoan như bão, áp thấp nhiệt đới thường xuyên gây ra những trận mưa có cường độ rất lớn. Tài liệu nghiên cứu cho thấy, lượng mưa ngày lớn nhất có thể vượt 700mm (tại Giá Vực ngày 3/12/1986), gây ra dòng chảy lũ khổng lồ. Địa hình dốc ở vùng núi khiến nước tập trung cực nhanh, trong khi vùng đồng bằng ven biển lại thấp và bằng phẳng, cản trở quá trình tiêu thoát ra biển. Một vấn đề nghiêm trọng khác được Nguyễn Đức Diện (2011) nhấn mạnh là hiện tượng bồi lấp, dịch chuyển thường xuyên tại các cửa sông, đặc biệt là cửa Đại Cổ Lũy. Vào mùa kiệt, lượng bùn cát lắng đọng làm thu hẹp mặt cắt thoát lũ, tạo thành một "nút cổ chai" tự nhiên. Khi lũ lớn xảy ra, "nút cổ chai" này khiến mực nước dâng cao đột ngột, gây ngập lụt sâu và kéo dài ở vùng hạ lưu. Các nghiên cứu trước đây thường chưa đánh giá đầy đủ tác động liên hợp của toàn bộ hệ thống, đặc biệt là trường hợp cửa sông Vệ bị bồi lấp hoàn toàn và sông Trà Khúc phải gánh toàn bộ lưu lượng lũ.
2.1. Phân tích đặc điểm thủy văn và các nguyên nhân ngập lụt
Đặc điểm thủy văn của sông Trà Khúc và Vệ mang tính đặc thù của sông ngòi miền Trung Việt Nam: lũ lên rất nhanh và xuống cũng nhanh, đỉnh lũ nhọn. Cường suất lũ lên có thể đạt trên 50 cm/h. Nguyên nhân chính gây ngập lụt là do cường độ mưa lớn, tâm mưa thường nằm ở trung và hạ lưu, kết hợp với độ dốc lưu vực lớn. Thêm vào đó, hạ lưu sông chịu ảnh hưởng của thủy triều. Nếu đỉnh lũ xảy ra trùng với đỉnh triều cường và nước dâng do bão, tình hình ngập lụt sẽ trở nên nghiêm trọng hơn rất nhiều, như đã từng xảy ra trong trận lũ lịch sử tháng 12/1986. Đây là những yếu tố phức tạp đòi hỏi phải có một mô hình thủy văn thủy lực chi tiết để có thể mô phỏng chính xác.
2.2. Hiện trạng bồi lấp cửa sông ảnh hưởng đến dòng chảy lũ
Hiện trạng bồi lấp cửa sông là một trong những nguyên nhân trực tiếp làm suy giảm khả năng thoát lũ. Lượng bùn cát do xói mòn từ thượng nguồn được vận chuyển xuống và lắng đọng tại khu vực cửa sông, nơi vận tốc dòng chảy giảm mạnh do tiếp xúc với biển. Quá trình này diễn ra liên tục, đặc biệt mạnh trong mùa kiệt, làm thay đổi hình thái cửa sông, thu hẹp luồng lạch. Khi một trận lũ lớn xảy ra, mặt cắt ngang của cửa sông không đủ lớn để thoát hết lưu lượng nước khổng lồ, gây ra hiệu ứng dềnh nước ngược trở lại, làm tăng mực nước và mở rộng phạm vi ngập lụt ở các vùng trũng thấp của hạ lưu sông Trà Khúc và các huyện lân cận.
III. Phương pháp xây dựng mô hình toán thủy văn thủy lực tối ưu
Để giải quyết bài toán thoát lũ phức tạp tại lưu vực sông Trà Khúc và Vệ, phương pháp mô hình toán được lựa chọn như một công cụ hiệu quả và khoa học. Phương pháp này bao gồm việc thiết lập một hệ thống các phương trình toán học mô phỏng lại các quá trình thủy văn (mưa - dòng chảy) và thủy lực (chuyển động của dòng nước trong sông và trên vùng ngập). Nghiên cứu của Nguyễn Đức Diện (2011) đã tiến hành khảo sát và so sánh một số bộ công cụ mô hình hóa phổ biến trên thế giới như phần mềm HEC-RAS, KOD, VRSAP và bộ phần mềm MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI). Dựa trên khả năng mô phỏng linh hoạt các điều kiện biên phức tạp, đặc biệt là khả năng kết hợp mô hình một chiều (1D) cho dòng chảy trong lòng sông và mô hình hai chiều (2D) cho dòng chảy tràn trên bãi bồi, bộ phần mềm MIKE FLOOD đã được lựa chọn. Việc lựa chọn mô hình phù hợp là bước đầu tiên và quan trọng nhất, quyết định đến độ chính xác và tin cậy của kết quả nghiên cứu. Quá trình xây dựng mô hình đòi hỏi một bộ dữ liệu đầu vào đầy đủ và chất lượng, bao gồm dữ liệu về địa hình, mạng lưới sông ngòi, và các chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn trong nhiều năm. Toàn bộ quá trình này đảm bảo rằng mô hình không chỉ là một lý thuyết toán học mà còn phản ánh chân thực nhất các đặc điểm của lưu vực nghiên cứu.
3.1. So sánh và lựa chọn giữa phần mềm MIKE và HEC RAS
Cả phần mềm MIKE FLOOD và phần mềm HEC-RAS đều là những công cụ mạnh mẽ trong lĩnh vực mô hình hóa thủy lực. HEC-RAS, do Trung tâm Kỹ thuật Thủy văn của Công binh Lục quân Hoa Kỳ phát triển, rất phổ biến và mạnh trong tính toán 1D và 2D không ổn định. Tuy nhiên, bộ phần mềm MIKE của DHI, đặc biệt là MIKE FLOOD, cung cấp khả năng kết nối động (dynamic coupling) giữa mô hình 1D (MIKE 11/MIKE HYDRO River) và mô hình 2D (MIKE 21). Sự kết nối này cho phép mô phỏng chính xác hơn quá trình nước tràn từ sông ra bãi bồi và ngược lại, một hiện tượng rất quan trọng trong các trận lũ lớn tại đồng bằng Quảng Ngãi. Do đó, MIKE FLOOD được lựa chọn để đáp ứng yêu cầu mô phỏng chi tiết vùng ngập lụt phức tạp.
3.2. Yêu cầu số liệu đầu vào địa hình DEM và số liệu quan trắc
Chất lượng của mô hình toán phụ thuộc trực tiếp vào chất lượng dữ liệu đầu vào. Các loại số liệu cơ bản cần thiết bao gồm: Số liệu địa hình DEM (Mô hình số độ cao) để mô tả bề mặt lưu vực và lòng sông; bản đồ mạng lưới sông suối chi tiết; và quan trọng nhất là chuỗi số liệu quan trắc thủy văn (lưu lượng, mực nước tại các trạm như Sơn Giang, An Chỉ, Trà Khúc) và khí tượng (lượng mưa) trong nhiều năm. Các số liệu vết lũ thực tế từ các trận lũ lịch sử cũng được thu thập để phục vụ cho việc hiệu chỉnh và kiểm định, đảm bảo mô hình có thể tái hiện chính xác các sự kiện đã xảy ra, từ đó tăng độ tin cậy cho các kết quả dự báo và mô phỏng ngập lụt.
IV. Cách ứng dụng MIKE FLOOD để mô phỏng ngập lụt chi tiết
Việc ứng dụng phần mềm MIKE FLOOD để mô phỏng ngập lụt cho lưu vực sông Trà Khúc - Vệ là một quy trình kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi sự chính xác ở từng bước. Quá trình này bắt đầu bằng việc xây dựng hai mô hình thành phần. Mô hình thủy lực một chiều (1D), sử dụng module MIKE 11, được thiết lập cho mạng lưới sông chính, nơi dòng chảy chủ yếu diễn ra theo một phương. Mô hình này yêu cầu các mặt cắt ngang chi tiết của lòng sông. Song song đó, mô hình thủy lực hai chiều (2D), sử dụng module MIKE 21, được xây dựng cho toàn bộ vùng đồng bằng hạ lưu có khả năng bị ngập. Mô hình 2D này dựa trên lưới tính toán và dữ liệu địa hình DEM để mô phỏng dòng chảy tràn theo mọi hướng trên bề mặt. Bước đột phá của MIKE FLOOD là khả năng liên kết động hai mô hình này lại với nhau. Nước có thể chảy từ mô hình 1D (sông) tràn sang mô hình 2D (bãi bồi) khi mực nước vượt bờ và ngược lại. Sau khi thiết lập xong cấu trúc mô hình, bước quan trọng tiếp theo là hiệu chỉnh và kiểm định. Các nhà khoa học sử dụng số liệu quan trắc của các trận lũ lịch sử (ví dụ trận lũ tháng 10/2003 và tháng 12/1999) để tinh chỉnh các tham số của mô hình, chẳng hạn như hệ số nhám Manning, cho đến khi kết quả tính toán của mô hình (mực nước, diện ngập) khớp với số liệu thực đo và vết lũ điều tra. Quá trình này đảm bảo mô hình phản ánh đúng thực tế, sẵn sàng cho việc tính toán các kịch bản.
4.1. Thiết lập mô hình thủy văn thủy lực kết hợp 1D và 2D
Mô hình kết hợp 1D-2D là phương pháp tiên tiến nhất để mô phỏng các vùng ngập lụt ven sông. Mô hình 1D (MIKE 11) được áp dụng cho sông Trà Khúc và sông Vệ, mô tả chính xác động lực học của dòng chảy trong kênh. Các điều kiện biên thượng lưu là chuỗi lưu lượng lũ tính toán từ mô hình mưa-dòng chảy (MIKE NAM), trong khi biên hạ lưu là diễn biến thủy triều tại cửa sông. Mô hình 2D (MIKE 21) bao phủ toàn bộ vùng đồng bằng hạ lưu, từ đập Thạch Nham ra đến biển. Việc liên kết hai mô hình này cho phép mô phỏng một cách chân thực hiện tượng nước lũ tràn bờ và lan rộng ra các khu vực trũng, điều mà mô hình 1D đơn thuần không thể thực hiện được.
4.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình dựa trên các trận lũ lịch sử
Hiệu chỉnh và kiểm định là bước không thể thiếu để xác nhận độ tin cậy của mô hình. Trong nghiên cứu của Nguyễn Đức Diện (2011), trận lũ tháng 10/2003 được dùng để hiệu chỉnh và trận lũ tháng 12/1999 được dùng để kiểm định. Kết quả mô phỏng về quá trình mực nước tại các trạm thủy văn Trà Khúc, Sông Vệ được so sánh với số liệu thực đo. Sai số Nash-Sutcliffe (NASH) là một trong những tiêu chí quan trọng được sử dụng để đánh giá mức độ phù hợp. Kết quả cho thấy mô hình tái hiện tốt cả về đỉnh lũ và hình dạng đường quá trình lũ, với sai số nằm trong giới hạn cho phép. Điều này chứng tỏ bộ mô hình đã được xây dựng thành công và có thể ứng dụng để đánh giá các kịch bản khác nhau.
V. Kết quả mô hình toán thoát lũ và ứng dụng thực tiễn
Sau khi được hiệu chỉnh và kiểm định, mô hình toán thoát lũ sông Trà Khúc và sông Vệ đã được áp dụng để giải quyết các bài toán thực tiễn quan trọng. Ứng dụng nổi bật nhất là xây dựng các bản đồ nguy cơ ngập lụt tương ứng với các trận lũ thiết kế có tần suất khác nhau (1%, 5%, 10%). Các bản đồ này cung cấp thông tin trực quan và chi tiết về phạm vi và độ sâu ngập tại từng khu vực, là tài liệu vô giá cho công tác quy hoạch phòng lũ, quy hoạch sử dụng đất, và di dời dân cư. Ví dụ, với kịch bản lũ 1%, mô hình chỉ ra các vùng trũng thấp thuộc huyện Sơn Tịnh, Tư Nghĩa, và thành phố Quảng Ngãi sẽ bị ngập sâu. Bên cạnh đó, mô hình được sử dụng như một phòng thí nghiệm số để đánh giá hiệu quả của các giải pháp can thiệp nhằm tăng cường khả năng thoát lũ. Nghiên cứu đã mô phỏng ba phương án chính: (PA1) Nạo vét lòng sông, (PA2) Mở rộng cửa sông, và (PA3) Kết hợp cả hai phương án. Kết quả tính toán cho thấy, phương án kết hợp (PA3) mang lại hiệu quả giảm ngập lụt rõ rệt nhất. Đây là cơ sở khoa học vững chắc để các cấp chính quyền xem xét, lựa chọn giải pháp đầu tư phù hợp, giúp giảm thiểu rủi ro thiên tai một cách hiệu quả và tiết kiệm. Mô hình này cũng là nền tảng để nghiên cứu tác động của kịch bản biến đổi khí hậu và vận hành an toàn hồ đập, đặc biệt là hồ chứa Nước Trong.
5.1. Xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt cho hạ lưu sông Trà Khúc
Dựa trên kết quả mô phỏng ngập lụt cho các trận lũ có tần suất 1%, 5%, 10%, các bản đồ nguy cơ ngập lụt đã được thành lập cho toàn bộ vùng hạ lưu sông Trà Khúc và sông Vệ. Các bản đồ này thể hiện chi tiết các vùng ngập với các cấp độ sâu khác nhau, từ đó xác định các "điểm nóng" về ngập lụt. Thông tin này cực kỳ hữu ích cho việc xây dựng các kế hoạch ứng phó khẩn cấp, xác định các tuyến đường sơ tán an toàn, và định hướng phát triển cơ sở hạ tầng trong tương lai để tránh các khu vực nguy hiểm.
5.2. Đánh giá hiệu quả các giải pháp nạo vét mở rộng cửa sông
Mô hình toán cho phép lượng hóa hiệu quả của các giải pháp công trình. Kết quả mô phỏng cho thấy phương án nạo vét lòng sông (PA1) và mở rộng cửa sông (PA2) riêng lẻ đều có tác dụng giảm mực nước lũ, nhưng hiệu quả không đáng kể trên toàn bộ khu vực. Tuy nhiên, khi kết hợp cả hai giải pháp (PA3), mực nước lũ tại các điểm trọng yếu giảm rõ rệt, từ đó giảm đáng kể diện tích và độ sâu ngập. Những kết quả này cung cấp bằng chứng khoa học thuyết phục, giúp các nhà quản lý đưa ra quyết định đầu tư chính xác, tránh lãng phí nguồn lực vào các giải pháp kém hiệu quả.
VI. Tương lai mô hình toán trong quy hoạch phòng lũ Quảng Ngãi
Nghiên cứu về mô hình toán thoát lũ sông Trà Khúc và sông Vệ không chỉ giải quyết các vấn đề trước mắt mà còn mở ra một hướng đi bền vững cho công tác phòng chống thiên tai tại Quảng Ngãi. Bộ mô hình đã được xây dựng và kiểm định thành công là một tài sản khoa học quý giá, có thể được tiếp tục phát triển và ứng dụng rộng rãi. Trong tương lai, mô hình này có thể được tích hợp với hệ thống dự báo khí tượng thời gian thực để xây dựng một hệ thống cảnh báo lũ sớm hiện đại. Hệ thống này có khả năng dự báo trước mực nước, thời gian lũ về và phạm vi ngập lụt, giúp người dân và chính quyền có thêm thời gian quý báu để chủ động ứng phó, giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản. Hơn nữa, mô hình là công cụ không thể thiếu trong việc đánh giá tác động của các kịch bản biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước và rủi ro lũ lụt. Nó cũng hỗ trợ việc xây dựng các quy trình vận hành liên hồ chứa, đảm bảo an toàn hồ đập như hồ chứa Nước Trong và tối ưu hóa việc sử dụng nguồn nước. Việc tiếp tục đầu tư, cập nhật dữ liệu và nâng cấp mô hình sẽ giúp công tác phòng chống lụt bão Quảng Ngãi ngày càng chủ động, khoa học và hiệu quả, góp phần vào sự phát triển kinh tế - xã hội ổn định và bền vững của địa phương.
6.1. Hướng phát triển hệ thống cảnh báo lũ sớm cho Quảng Ngãi
Với nền tảng là bộ mô hình thủy văn thủy lực đã được kiểm chứng, bước phát triển tiếp theo là xây dựng hệ thống cảnh báo lũ sớm. Bằng cách kết nối mô hình với dữ liệu mưa dự báo từ các mô hình khí tượng toàn cầu và khu vực, hệ thống có thể chạy các kịch bản dự báo lũ trước từ 24 đến 72 giờ. Kết quả dự báo, bao gồm các bản đồ ngập lụt theo thời gian thực, sẽ được truyền tải đến các cơ quan chức năng và người dân qua các kênh thông tin hiện đại. Đây là giải pháp công nghệ cao giúp chuyển từ thế bị động ứng phó sang chủ động phòng tránh.
6.2. Ý nghĩa của mô hình trong quy hoạch phòng lũ bền vững
Mô hình toán không chỉ là công cụ cho các giải pháp công trình mà còn có ý nghĩa to lớn trong quy hoạch phòng lũ bền vững. Nó giúp các nhà quy hoạch đánh giá tác động của các dự án phát triển (đô thị hóa, xây dựng khu công nghiệp) đến chế độ dòng chảy và nguy cơ ngập lụt. Dựa trên các kịch bản mô phỏng, chính quyền có thể điều chỉnh quy hoạch sử dụng đất, dành không gian cho lũ, và xây dựng các công trình hạ tầng thích ứng. Cách tiếp cận này giúp hài hòa giữa phát triển kinh tế và giảm thiểu rủi ro thiên tai, hướng tới một tương lai an toàn và thịnh vượng hơn cho người dân trên lưu vực sông Trà Khúc - Vệ.
