Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Trà Bồng, tỉnh Quảng Ngãi, có diện tích khoảng 697 km², chiều dài 56 km và chiều rộng 12,4 km, là khu vực chịu ảnh hưởng nặng nề của lũ lụt, đặc biệt là đoạn Quốc lộ 1A qua thị trấn Châu Ổ, huyện Bình Sơn. Quốc lộ 1A là tuyến giao thông huyết mạch của Việt Nam với chiều dài khoảng 2.300 km, đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế, xã hội và an ninh quốc phòng. Tuy nhiên, nhiều đoạn tuyến tại miền Trung, đặc biệt là Quảng Ngãi, thường xuyên bị ngập lụt kéo dài khi có lũ lớn, gây tắc nghẽn giao thông và hư hỏng kết cấu mặt đường. Theo điều tra năm 2011, có 7 đoạn đường từ Km1029 đến Km1042 bị ngập với tổng chiều dài khoảng 2 km, độ sâu ngập lớn nhất trên 2 m.

Mục tiêu nghiên cứu là mô phỏng diễn biến lũ trên lưu vực sông Trà Bồng và tính toán các giải pháp chống ngập cho Quốc lộ 1A nhằm giảm thiểu ngập lụt, tăng cường khả năng thoát nước, cải thiện an toàn giao thông và bảo vệ kết cấu hạ tầng. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên lưu vực sông Trà Bồng, bao gồm huyện Trà Bồng và Bình Sơn, với dữ liệu thu thập từ các trạm khí tượng thủy văn trong và ngoài lưu vực, đặc biệt là trạm mực nước Châu Ổ và trạm khí tượng Quảng Ngãi.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu làm gia tăng tần suất và cường độ lũ lụt tại miền Trung, đồng thời hỗ trợ công tác quy hoạch, đầu tư nâng cấp hạ tầng giao thông và phòng chống thiên tai hiệu quả. Kết quả mô phỏng và đề xuất giải pháp sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho các cơ quan quản lý và nhà đầu tư trong việc giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt gây ra trên tuyến Quốc lộ 1A.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các mô hình thủy văn và thủy lực hiện đại để mô phỏng quá trình hình thành và diễn biến lũ trên lưu vực sông Trà Bồng, bao gồm:

  • Mô hình MIKE NAM: Mô hình thủy văn khái niệm dùng để mô phỏng quá trình lượng mưa - dòng chảy mặt trong lưu vực sông. MIKE NAM xử lý lưu vực như một đơn vị riêng biệt, mô phỏng các thành phần nước trong bể chứa như tuyết, bề mặt, vùng gốc và nước ngầm. Mô hình này cho phép tính toán dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm dựa trên dữ liệu mưa và các thông số lưu vực.

  • Mô hình MIKE 11: Mô hình thủy lực một chiều giải phương trình Saint Venant để mô phỏng dòng chảy trên mạng lưới sông. MIKE 11 được sử dụng để tính toán lưu lượng, mực nước và vận hành các công trình thủy lợi trên sông.

  • Mô hình MIKE 21 và MIKE Flood: Mô hình thủy lực hai chiều dùng để mô phỏng dòng chảy không ổn định trên mặt đất, đặc biệt là khu vực ngập lụt. MIKE Flood kết hợp mô hình một chiều và hai chiều, mô phỏng dòng chảy tràn bãi, vận hành công trình thủy lực và liên kết với hệ thống GIS để phân tích không gian.

Các khái niệm chính trong nghiên cứu bao gồm: lưu lượng đỉnh lũ, mực nước triều, hệ số nhám lòng dẫn, tần suất lũ (4%), và các thông số hiệu chỉnh mô hình thủy văn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu mưa, mực nước, lưu lượng và các yếu tố khí tượng thủy văn thu thập từ các trạm trong và ngoài lưu vực như trạm An Chỉ, Ba Tơ, Giá Vực, Quảng Ngãi và trạm mực nước Châu Ổ. Dữ liệu được kiểm tra, xử lý và thống kê kỹ lưỡng trước khi đưa vào mô hình.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE NAM dựa trên số liệu trận lũ năm 1999 và 2003 tại trạm An Chỉ, với hệ số NASH đạt 0.85 và 0.78 tương ứng, sai số đỉnh lũ dưới 7%, thể hiện độ chính xác cao.

  • Tính toán biên đầu vào cho mô hình thủy lực MIKE 11 bằng cách sử dụng bộ thông số hiệu chỉnh từ lưu vực tương tự An Chỉ, áp dụng cho lưu vực Trà Bồng.

  • Mô phỏng thủy lực một chiều và hai chiều bằng MIKE 11 và MIKE 21/Flood để đánh giá diễn biến mực nước, phạm vi ngập lụt và hiệu quả các phương án chống ngập.

  • Thời gian nghiên cứu tập trung vào các trận lũ lớn năm 2003 và 2009, cùng tính toán lũ tần suất 4% theo tiêu chuẩn Bộ Giao thông Vận tải.

Cỡ mẫu dữ liệu gồm hàng chục năm số liệu khí tượng thủy văn, với các trạm đo mưa giờ và mực nước liên tục. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện và độ tin cậy của dữ liệu. Phân tích số liệu sử dụng phần mềm chuyên dụng MIKE của DHI, kết hợp GIS để trực quan hóa kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu chỉnh mô hình thủy văn MIKE NAM đạt độ chính xác cao: Hệ số NASH lần lượt là 0.85 (năm 1999) và 0.78 (năm 2003), sai số đỉnh lũ dưới 7%, sai số tổng lượng dưới 3,5%. Đường cong lưu lượng tính toán và thực đo có sự tương đồng cao, chứng tỏ mô hình phù hợp để mô phỏng dòng chảy trên lưu vực Trà Bồng.

  2. Lưu lượng đỉnh lũ tần suất 4% ước tính khoảng 5.800 m³/s với thời gian xuất hiện đỉnh vào lúc 23h00 ngày 29/9/2009, cao hơn lưu lượng đỉnh các trận lũ thực tế năm 2003 (2.150 m³/s) và 2009 (5.000 m³/s). Điều này cho thấy tiềm năng ngập lụt nghiêm trọng nếu xảy ra lũ có tần suất thấp hơn 4%.

  3. Phạm vi ngập lụt trên Quốc lộ 1A kéo dài khoảng 2 km, với độ sâu ngập lớn nhất trên 2 m tại các đoạn từ Km1029 đến Km1042, gây tắc nghẽn giao thông kéo dài và hư hỏng kết cấu mặt đường. Mô hình thủy lực hai chiều MIKE Flood mô phỏng chính xác các vùng ngập, thể hiện qua bản đồ độ sâu ngập tại các thời điểm khác nhau trong trận lũ 2009.

  4. Các phương án chống ngập được đề xuất gồm nâng cấp mặt đường, xây dựng tuyến tránh phía Đông và Tây, làm cầu cạn. Mô phỏng cho thấy phương án kết hợp tuyến tránh phía Đông với nâng cấp đoạn Km1030-Km1034 giảm sâu ngập trung bình khoảng 30-40%, giảm thời gian ngập và cải thiện lưu thông.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính gây ngập lụt là do lưu lượng lũ lớn, địa hình dốc và phức tạp, cùng với hệ thống thoát nước chưa đồng bộ và ảnh hưởng của triều cường. So với các nghiên cứu trước đây tại miền Trung, kết quả mô phỏng lũ và ngập lụt tại lưu vực Trà Bồng có độ chính xác cao nhờ sử dụng bộ dữ liệu đầy đủ và mô hình thủy lực hai chiều hiện đại.

Việc áp dụng mô hình MIKE NAM và MIKE Flood cho phép mô phỏng chi tiết diễn biến lũ, phạm vi ngập và hiệu quả các giải pháp kỹ thuật, hỗ trợ ra quyết định chính xác hơn so với phương pháp truyền thống. Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ lưu lượng lũ theo thời gian, bản đồ độ sâu ngập và trắc dọc mực nước dọc tuyến Quốc lộ 1A, giúp minh họa rõ ràng tác động của các phương án đề xuất.

Tuy nhiên, hạn chế của nghiên cứu là thiếu trạm đo lưu lượng trực tiếp trên lưu vực Trà Bồng, phải sử dụng phương pháp lưu vực tương tự và dữ liệu gián tiếp, có thể ảnh hưởng đến độ chính xác tuyệt đối. Do đó, cần tiếp tục bổ sung số liệu thực đo và cập nhật mô hình trong tương lai.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp mặt đường Quốc lộ 1A đoạn Km1029-Km1042: Tăng cao mặt đường và cải thiện hệ thống thoát nước để giảm ngập lụt, mục tiêu giảm độ sâu ngập trung bình ít nhất 30%, thực hiện trong vòng 2 năm, do Bộ Giao thông Vận tải phối hợp với địa phương thực hiện.

  2. Xây dựng tuyến tránh phía Đông đoạn qua thị trấn Châu Ổ: Thiết kế tuyến tránh với cầu cạn và hệ thống thoát nước đồng bộ, giảm áp lực ngập trên tuyến chính, mục tiêu giảm thời gian ngập 40%, hoàn thành trong 3-4 năm, do Sở Giao thông Vận tải và nhà đầu tư thực hiện.

  3. Xây dựng tuyến tránh phía Tây kết hợp nâng cấp đoạn Km1030-Km1034: Giảm ngập lụt và cải thiện lưu thông, mục tiêu giảm sâu ngập và tắc nghẽn giao thông, thời gian thực hiện 3 năm, do địa phương và nhà đầu tư phối hợp.

  4. Tăng cường hệ thống quan trắc khí tượng thủy văn và cập nhật mô hình thường xuyên: Lắp đặt thêm trạm đo lưu lượng và mực nước trên lưu vực Trà Bồng để nâng cao độ chính xác mô phỏng, hỗ trợ cảnh báo sớm lũ lụt, thực hiện trong 1-2 năm, do Trung tâm Khí tượng Thủy văn và địa phương phối hợp.

Các giải pháp trên cần được đồng bộ với quy hoạch phát triển kinh tế xã hội của tỉnh Quảng Ngãi, đảm bảo tính khả thi và hiệu quả lâu dài trong phòng chống ngập lụt.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý giao thông và hạ tầng: Sở Giao thông Vận tải, Bộ Giao thông Vận tải có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để lập kế hoạch nâng cấp, bảo trì và xây dựng mới các công trình giao thông nhằm giảm thiểu ngập lụt trên Quốc lộ 1A.

  2. Cơ quan phòng chống thiên tai và khí tượng thủy văn: Trung tâm Khí tượng Thủy văn và Ban chỉ huy Phòng chống thiên tai tỉnh Quảng Ngãi có thể ứng dụng mô hình và dữ liệu để cải thiện công tác dự báo, cảnh báo và ứng phó với lũ lụt.

  3. Nhà đầu tư và doanh nghiệp xây dựng: Các đơn vị thi công, tư vấn thiết kế công trình giao thông và thủy lợi có thể tham khảo các phương án kỹ thuật đề xuất để triển khai các dự án chống ngập hiệu quả.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành thủy lợi, môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp mô hình và dữ liệu thực tế quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo về mô phỏng lũ, quản lý tài nguyên nước và phát triển bền vững vùng ven biển miền Trung.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn lưu vực An Chỉ làm lưu vực tương tự để hiệu chỉnh mô hình?
    Lưu vực An Chỉ có diện tích khoảng 864 km², gần lưu vực Trà Bồng về đặc điểm địa hình, khí hậu và mạng lưới sông ngòi, có số liệu đo đạc đầy đủ và tin cậy, nên được chọn làm cơ sở hiệu chỉnh mô hình MIKE NAM cho lưu vực Trà Bồng.

  2. Mô hình MIKE Flood có ưu điểm gì so với mô hình thủy lực một chiều?
    MIKE Flood mô phỏng dòng chảy hai chiều trên mặt đất, cho phép mô phỏng chính xác hơn phạm vi và độ sâu ngập lụt, đặc biệt trong khu vực bãi tràn và vùng cửa sông, trong khi mô hình một chiều chỉ mô phỏng dòng chảy trên mạng lưới sông.

  3. Làm thế nào để xác định tần suất lũ 4% trong nghiên cứu?
    Tần suất lũ 4% được xác định theo tiêu chuẩn kỹ thuật của Bộ Giao thông Vận tải, dựa trên phân tích thống kê số liệu mưa và lũ nhiều năm, kết hợp mô hình thủy văn để tính toán lưu lượng đỉnh lũ có xác suất xuất hiện 4% trong một năm.

  4. Các phương án chống ngập có thể áp dụng ngay không?
    Một số giải pháp như nâng cấp mặt đường và cải thiện hệ thống thoát nước có thể triển khai ngay trong vòng 2 năm. Tuy nhiên, các phương án xây dựng tuyến tránh và cầu cạn cần nghiên cứu kỹ lưỡng, lập dự án đầu tư và thời gian thực hiện dài hơn.

  5. Nghiên cứu có thể áp dụng cho các lưu vực khác không?
    Phương pháp mô hình và quy trình hiệu chỉnh có thể áp dụng cho các lưu vực tương tự ở miền Trung và các vùng có điều kiện khí hậu, địa hình tương đồng, tuy nhiên cần điều chỉnh thông số phù hợp với đặc điểm từng lưu vực.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng và hiệu chỉnh thành công mô hình thủy văn MIKE NAM và mô hình thủy lực MIKE 11, MIKE 21/Flood cho lưu vực sông Trà Bồng, đạt độ chính xác cao với hệ số NASH trên 0.78 và sai số đỉnh lũ dưới 7%.
  • Lưu lượng đỉnh lũ tần suất 4% ước tính khoảng 5.800 m³/s, cho thấy nguy cơ ngập lụt nghiêm trọng trên Quốc lộ 1A đoạn qua thị trấn Châu Ổ.
  • Các phương án chống ngập gồm nâng cấp mặt đường, xây dựng tuyến tránh phía Đông và Tây, làm cầu cạn được mô phỏng và đánh giá hiệu quả giảm sâu ngập từ 30-40%.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quy hoạch, đầu tư và quản lý giao thông, phòng chống thiên tai tại khu vực miền Trung.
  • Đề xuất tiếp tục bổ sung số liệu quan trắc và cập nhật mô hình để nâng cao độ chính xác và hiệu quả ứng dụng trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và nhà đầu tư cần phối hợp triển khai các giải pháp kỹ thuật đề xuất, đồng thời tăng cường hệ thống quan trắc và nghiên cứu cập nhật để ứng phó hiệu quả với biến đổi khí hậu và lũ lụt ngày càng gia tăng.