Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Đồng Hới, tỉnh Quảng Bình, nằm ở vùng đồng bằng duyên hải miền Trung Việt Nam, đang phải đối mặt với thách thức nghiêm trọng về ngập lụt đô thị do biến đổi khí hậu và sự phát triển đô thị nhanh chóng. Với dân số khoảng 104.000 người và diện tích nội thị 55,58 km², Đồng Hới có mật độ dân số nội thị đạt 1.226 người/km², đồng thời chịu ảnh hưởng của các yếu tố khí hậu đặc thù như lượng mưa trung bình năm khoảng 2.159 mm, tập trung chủ yếu vào mùa mưa từ tháng 9 đến tháng 11. Các trận ngập lụt nghiêm trọng đã xảy ra nhiều lần trong các năm 2012, 2013, 2016 và 2020, gây ảnh hưởng lớn đến đời sống và phát triển kinh tế xã hội của thành phố.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng mô hình thủy văn đô thị 2 chiều để mô phỏng ngập lụt tại Đồng Hới, đồng thời đánh giá tác động của biến đổi khí hậu lên hệ thống thoát nước hiện tại. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào khu vực thành phố Đồng Hới với dữ liệu thu thập từ các trận mưa và ngập thực tế trong giai đoạn 2000-2021. Nghiên cứu nhằm cung cấp các giải pháp kỹ thuật và quản lý nhằm giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý đô thị và phát triển bền vững.

Việc xây dựng bản đồ ngập lụt chi tiết và mô phỏng các kịch bản mưa với chu kỳ lặp lại từ 2 đến 100 năm, cũng như các kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 và RCP8.5, giúp đánh giá chính xác mức độ rủi ro và đề xuất các biện pháp ứng phó phù hợp. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng gia tăng, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng thoát nước và an toàn đô thị tại Đồng Hới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy văn hiện đại, trong đó nổi bật là mô hình thủy văn đô thị 2 chiều kết hợp mô hình dòng chảy 1 chiều trong hệ thống thoát nước. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Mô hình thủy văn (Catchment Hydrology model): Mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy dựa trên các phương trình thủy văn, tính toán lượng nước mưa hiệu quả và dòng chảy bề mặt theo các phương pháp như thời gian – diện tích, hồ chứa phi tuyến tính và tuyến tính.

  • Mô hình dòng chảy 1 chiều (Drainage Network 1D model): Sử dụng phương trình Saint-Venant để mô phỏng dòng chảy trong mạng lưới cống thoát nước, bao gồm các thiết bị như máy bơm, cửa van, đập tràn.

  • Mô hình dòng chảy bề mặt 2 chiều (2D Surface Flow model): Giải phương trình Saint-Venant 2 chiều để mô phỏng dòng chảy tràn trên bề mặt đô thị, tính toán vận tốc và độ sâu nước với độ phân giải cao, phản ánh chính xác địa hình và các công trình kiến trúc.

  • Mô hình kết hợp 1D-2D: Kết nối mô hình dòng chảy trong mạng lưới thoát nước 1 chiều với mô hình dòng chảy bề mặt 2 chiều để mô phỏng toàn diện quá trình thoát nước và ngập lụt đô thị.

Các mô hình này được tích hợp trong phần mềm MIKE URBAN, sử dụng công nghệ GIS để xử lý dữ liệu địa hình, thảm phủ và các thông số bề mặt, đảm bảo độ chính xác cao trong mô phỏng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình hóa thủy văn đô thị dựa trên dữ liệu thực tế thu thập từ nhiều nguồn:

  • Nguồn dữ liệu: Bao gồm số liệu khí tượng thủy văn (mưa, mực nước, triều cường) từ trạm Đồng Hới giai đoạn 2000-2021; dữ liệu hệ thống thoát nước hiện trạng (kích thước, vị trí cống, hố ga, kênh mương) do Công ty URENCO cung cấp; bản đồ số độ cao (DEM) 10m kết hợp với dữ liệu GIS về nhà cửa, đường sá, sông hồ; ảnh vệ tinh Sentinel-1 và công cụ Google Earth Engine (GEE) để chiết xuất diện tích ngập thực tế.

  • Phương pháp phân tích: Xử lý dữ liệu DEM và GIS để xây dựng mô hình địa hình kết hợp lớp thảm phủ; thiết lập mô hình thủy văn đô thị 2 chiều trong MIKE URBAN, kết nối mô hình dòng chảy 1 chiều trong hệ thống thoát nước với mô hình dòng chảy bề mặt 2 chiều; hiệu chỉnh và kiểm định mô hình dựa trên số liệu ngập thực tế các trận mưa năm 2016, 2020.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập và xử lý dữ liệu từ năm 2020 đến 2022; xây dựng và hiệu chỉnh mô hình trong năm 2021; mô phỏng các kịch bản mưa và biến đổi khí hậu trong năm 2022; phân tích kết quả và đề xuất giải pháp trong cùng năm.

Phương pháp tiếp cận mô hình hóa đồng thời kết hợp viễn thám và GIS giúp nâng cao độ chính xác và khả năng dự báo ngập lụt, đồng thời cung cấp công cụ hỗ trợ quản lý và vận hành hệ thống thoát nước đô thị hiệu quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả mô hình mô phỏng: Mô hình MIKE URBAN kết hợp 1D-2D đã được hiệu chỉnh và kiểm định thành công với các trận mưa thực tế tại Đồng Hới năm 2016 và 2020. Độ sâu ngập tính toán tương quan chặt chẽ với số liệu thực đo, sai số trung bình dưới 10%, diện tích ngập mô phỏng đạt trên 90% so với diện tích ngập thực tế từ ảnh vệ tinh Sentinel-1.

  2. Mức độ ngập theo chu kỳ mưa: Mô phỏng các kịch bản mưa với chu kỳ lặp lại 2, 5, 10 và 100 năm cho thấy diện tích ngập và độ sâu ngập tăng dần theo chu kỳ. Ví dụ, diện tích ngập trong kịch bản mưa chu kỳ 2 năm chiếm khoảng 15% diện tích nội thị, trong khi kịch bản 100 năm lên tới gần 50%. Độ sâu ngập tại các điểm ngập trọng yếu có thể vượt 1,5 m trong kịch bản 100 năm.

  3. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu: Các kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 và RCP8.5 cho thấy nhiệt độ tăng khoảng 2-3°C và lượng mưa cực đoan tăng từ 10-20% vào cuối thế kỷ 21. Mô phỏng ngập lụt theo các kịch bản này dự báo diện tích ngập tăng thêm 10-15% so với hiện trạng, đặc biệt tại các khu vực thấp trũng và gần cửa sông Nhật Lệ.

  4. Nguyên nhân ngập lụt: Phân tích cho thấy nguyên nhân chính là hệ thống thoát nước hiện tại không đồng bộ, nhiều đoạn cống có kích thước nhỏ, bị lấn chiếm và tắc nghẽn, kết hợp với ảnh hưởng của triều cường và mưa lớn. Đặc biệt, khi lũ lớn trên sông Nhật Lệ trùng với triều cường, khả năng tiêu thoát nước giảm mạnh, gây ngập diện rộng.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình thủy văn đô thị 2 chiều là công cụ hiệu quả để đánh giá và dự báo ngập lụt tại Đồng Hới, phù hợp với các nghiên cứu tương tự ở các thành phố ven biển miền Trung và quốc tế. Việc sử dụng dữ liệu vệ tinh Sentinel-1 và công nghệ GEE giúp nâng cao độ chính xác trong việc xác định diện tích ngập thực tế, hỗ trợ hiệu chỉnh mô hình.

So sánh với các nghiên cứu tại Hà Nội và Hà Tĩnh, Đồng Hới có đặc điểm địa hình thấp, hẹp và chịu ảnh hưởng mạnh của triều cường, làm tăng nguy cơ ngập lụt khi kết hợp với mưa lớn. Các kịch bản biến đổi khí hậu cho thấy xu hướng gia tăng ngập lụt trong tương lai, đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật và quản lý phù hợp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh diện tích ngập theo chu kỳ mưa và kịch bản biến đổi khí hậu, bảng thống kê độ sâu ngập tại các điểm trọng yếu, cũng như bản đồ ngập lụt chi tiết cho từng kịch bản. Các biểu đồ tương quan giữa độ sâu ngập thực đo và mô phỏng minh chứng cho độ tin cậy của mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp hệ thống thoát nước: Tăng kích thước cống và cải tạo các đoạn bị tắc nghẽn, đặc biệt tại các lưu vực bờ tả và hữu sông Cầu Rào, nhằm nâng cao công suất thoát nước, giảm diện tích ngập lụt. Thời gian thực hiện dự kiến 3-5 năm, do Sở Xây dựng và Công ty URENCO chủ trì.

  2. Xây dựng hệ thống trạm bơm tiêu hợp lý: Lắp đặt các trạm bơm tại các khu vực thấp trũng để hỗ trợ tiêu thoát nước khi triều cường và mưa lớn đồng thời xảy ra. Giải pháp này giúp giảm ngập cục bộ, nâng cao hiệu quả thoát nước trong mùa mưa. Thời gian triển khai 2-4 năm.

  3. Ứng dụng công nghệ giám sát và cảnh báo: Phát triển hệ thống giám sát mưa, mực nước và ngập lụt thời gian thực dựa trên công nghệ viễn thám và GIS, kết hợp mô hình MIKE URBAN để cảnh báo sớm, hỗ trợ công tác quản lý và ứng phó kịp thời. Chủ thể thực hiện là Trung tâm Khí tượng Thủy văn tỉnh Quảng Bình, trong vòng 1-2 năm.

  4. Quản lý và quy hoạch đô thị xanh: Tăng cường phủ xanh, cải tạo bề mặt thảm phủ để giảm tỷ lệ không thấm, giãn cách thời gian tập trung nước mưa, kết hợp với các công trình xanh như hồ điều hòa, bể ngầm. Giải pháp này góp phần giảm lưu lượng dòng chảy và ngập lụt. Thời gian thực hiện dài hạn, phối hợp giữa các ban ngành địa phương.

Các đề xuất trên cần được phối hợp đồng bộ, có kế hoạch cụ thể và nguồn lực đầu tư phù hợp để đảm bảo hiệu quả lâu dài trong việc giảm thiểu ngập lụt đô thị tại Đồng Hới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý đô thị và môi trường: Sở Xây dựng, Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Bình có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để lập kế hoạch nâng cấp hệ thống thoát nước, quy hoạch đô thị và xây dựng các chính sách ứng phó biến đổi khí hậu.

  2. Các nhà nghiên cứu và học viên: Những người làm việc trong lĩnh vực thủy văn, quản lý tài nguyên nước, biến đổi khí hậu có thể tham khảo phương pháp mô hình hóa 1D-2D kết hợp viễn thám và GIS để áp dụng cho các khu vực tương tự.

  3. Doanh nghiệp và nhà đầu tư hạ tầng: Các công ty xây dựng, tư vấn kỹ thuật có thể khai thác dữ liệu và mô hình để thiết kế các công trình thoát nước, trạm bơm và hệ thống cảnh báo ngập lụt hiệu quả.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức phi chính phủ: Các nhóm cộng đồng và tổ chức xã hội có thể sử dụng thông tin để nâng cao nhận thức về rủi ro ngập lụt, tham gia vào các hoạt động phòng chống và ứng phó thiên tai.

Luận văn cung cấp các công cụ và dữ liệu thực tiễn giúp các đối tượng trên đưa ra quyết định chính xác, nâng cao hiệu quả quản lý và giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình thủy văn 2 chiều có ưu điểm gì so với mô hình 1 chiều?
    Mô hình 2 chiều mô phỏng dòng chảy tràn trên bề mặt với độ phân giải cao, phản ánh chính xác địa hình và các công trình đô thị, giúp dự báo ngập lụt chi tiết hơn so với mô hình 1 chiều chỉ mô phỏng dòng chảy trong mạng lưới cống.

  2. Dữ liệu vệ tinh Sentinel-1 được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Ảnh Sentinel-1 với phân cực VV nhạy cảm với vùng nước ngập được xử lý qua công cụ Google Earth Engine để chiết xuất diện tích ngập thực tế, làm cơ sở hiệu chỉnh và kiểm định mô hình mô phỏng.

  3. Các kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 và RCP8.5 ảnh hưởng ra sao đến ngập lụt?
    Cả hai kịch bản đều dự báo tăng nhiệt độ và lượng mưa cực đoan, làm tăng diện tích và độ sâu ngập lụt, trong đó RCP8.5 với nồng độ khí nhà kính cao hơn gây tác động nghiêm trọng hơn.

  4. Nguyên nhân chính gây ngập lụt tại Đồng Hới là gì?
    Hệ thống thoát nước hiện tại không đồng bộ, nhiều đoạn cống nhỏ và bị lấn chiếm, kết hợp với triều cường và mưa lớn, đặc biệt khi lũ sông Nhật Lệ trùng với triều cường, làm giảm khả năng tiêu thoát nước.

  5. Giải pháp nào ưu tiên để giảm ngập lụt hiệu quả?
    Nâng cấp hệ thống thoát nước, xây dựng trạm bơm tiêu hợp lý, ứng dụng công nghệ giám sát và cảnh báo thời gian thực, cùng với quy hoạch đô thị xanh là các giải pháp ưu tiên, cần phối hợp đồng bộ để đạt hiệu quả cao.

Kết luận

  • Luận văn đã thành công trong việc ứng dụng mô hình thủy văn đô thị 2 chiều kết hợp mô hình dòng chảy 1 chiều để mô phỏng ngập lụt tại thành phố Đồng Hới với độ chính xác cao.
  • Các kịch bản mưa và biến đổi khí hậu cho thấy nguy cơ ngập lụt sẽ gia tăng đáng kể trong tương lai, đòi hỏi các biện pháp ứng phó kịp thời và hiệu quả.
  • Nguyên nhân ngập lụt chủ yếu do hệ thống thoát nước hiện trạng không đáp ứng được lưu lượng nước mưa và ảnh hưởng của triều cường.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý bao gồm nâng cấp hệ thống thoát nước, xây dựng trạm bơm, ứng dụng công nghệ giám sát và quy hoạch đô thị xanh.
  • Các bước tiếp theo cần tập trung vào triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời phát triển hệ thống cảnh báo ngập lụt thời gian thực để nâng cao khả năng ứng phó và giảm thiểu thiệt hại cho thành phố Đồng Hới.

Mời các nhà quản lý, chuyên gia và cộng đồng cùng phối hợp thực hiện các khuyến nghị nhằm xây dựng thành phố Đồng Hới phát triển bền vững, an toàn trước thách thức biến đổi khí hậu.