Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu cơ sở khoa học lập quy hoạch phòng chống úng ngập dựa trên phân tích rủi ro" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Thiện Dũng dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Nguyễn Quang Kim và PGS. Nguyễn Thu Hiền tại Trường Đại học Thủy lợi (năm 2018), thuộc chuyên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước, mã số 62 – 58 – 02 – 12.

+-------------------------------------------------------------------------------+
| THÔNG TIN CHUNG VỀ LUẬN ÁN                                                    |
+---------------------+---------------------------------------------------------+
| Tác giả             | Nguyễn Thiện Dũng                                       |
| Người hướng dẫn     | GS. Nguyễn Quang Kim, PGS. Nguyễn Thu Hiền              |
| Cơ sở đào tạo       | Trường Đại học Thủy lợi                                 |
| Chuyên ngành        | Kỹ thuật tài nguyên nước (Mã số: 62 – 58 – 02 - 12)     |
| Năm bảo vệ          | 2018                                                    |
+---------------------+---------------------------------------------------------+

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Tình trạng úng ngập tại Việt Nam diễn ra với tần suất và quy mô ngày càng tăng do tác động của biến đổi khí hậu kết hợp quá trình đô thị hóa nhanh chóng. Việc mở rộng đô thị, xây dựng nhà cao tầng, công sở và khu dân cư làm suy giảm diện tích bề mặt thấm, thu hẹp hệ thống ao hồ điều hòa tự nhiên, trong khi mạng lưới công trình tiêu thoát nước chậm được nâng cấp cải tạo. Trận ngập lịch sử năm 2008 tại Hà Nội gây thiệt hại ước tính sơ bộ trên 3.000 tỷ đồng về tài sản và cơ sở hạ tầng, chưa tính đến các tổn thất gián tiếp như gián đoạn sản xuất, giao thông, chi phí vệ sinh môi trường và y tế.

Trong thực tế lập quy hoạch thủy lợi và phòng chống úng ngập tại Việt Nam, các dự án chủ yếu tiếp cận theo góc độ thuần kỹ thuật (tính toán thủy văn, thủy lực, cân bằng nước, lập bản đồ ngập lụt để xác định diện tích ngập, lưu lượng và công suất trạm bơm tiêu hoặc tôn cao đê bao). Cơ sở lựa chọn tần suất tiêu thiết kế và quy mô công trình chưa được xem xét thỏa đáng dưới góc độ kinh tế và phân tích đánh đổi rủi ro. Thiếu hụt phương pháp luận tích hợp giữa kỹ thuật và kinh tế để xác định cấp bảo vệ tối ưu — nơi tổng chi phí đầu tư xã hội và giá trị rủi ro còn dư đạt mức nhỏ nhất.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 2 mục tiêu cụ thể:

  1. Nghiên cứu phương pháp luận, xây dựng cơ sở khoa học phục vụ tính toán bài toán quy hoạch phòng chống úng ngập dựa trên cơ sở phân tích tối ưu về rủi ro thiệt hại do úng ngập gây ra.
  2. Vận dụng cơ sở nghiên cứu lý thuyết để áp dụng tính toán bài toán quy hoạch tiêu úng ngập cho lưu vực sông Phan – Cà Lồ thuộc địa phận tỉnh Vĩnh Phúc.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Rủi ro thiệt hại do úng ngập gây ra đối với con người, hoạt động sản xuất kinh tế, môi trường và xã hội; giải pháp quy hoạch tiêu tổng thể cho lưu vực sông Phan – Cà Lồ tỉnh Vĩnh Phúc đáp ứng mục tiêu quản lý rủi ro úng ngập bền vững trên cơ sở phân tích tối ưu rủi ro thiệt hại.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về loại hình: Nghiên cứu hiện tượng úng ngập do mưa lớn không tiêu thoát kịp thời tại vùng hỗn hợp (nông thôn, đô thị và vùng ven đô thị có tốc độ đô thị hóa cao).
    • Về cấp độ quy hoạch: Đề xuất giải pháp ở giai đoạn quy hoạch tổng thể, xác định công suất thiết kế của các công trình đầu mối, không đi sâu vào giải pháp tiêu nội bộ cục bộ.
    • Về phương pháp phân tích: Lượng hóa tiền tệ các thiệt hại có xét đến tính dài hạn và cường độ úng ngập.
    • Về không gian: Vùng nghiên cứu điển hình là Lưu vực sông Phan – Cà Lồ, tỉnh Vĩnh Phúc (tập trung vào Vùng 2).
    • Về thời gian và số liệu: Dữ liệu tính toán cập nhật đến năm 2016, có xét định hướng quy hoạch sử dụng đất đến năm 2020 và phát triển kinh tế đến năm 2030.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Lý thuyết phân tích rủi ro và xác suất bắt đầu từ các nghiên cứu kinh tế học của Frank Knight (1921), Irving, và các nhà kinh tế học Hoa Kỳ. Trong quản lý ngập lụt, tiếp cận phân tích rủi ro dựa trên xác suất xuất hiện từ những năm 1960 tại Hà Lan với công trình của Van Dantzig (1956) sử dụng khái niệm chu kỳ lặp lại của lũ (Flood Return Period - FRP) để xác định cao trình đê biển. Hướng nghiên cứu này được tiếp tục phát triển bởi Van Der Most và Wehrung (2005), Eijgenraan và cộng sự.

Yeou-Koung Tung (2002, 2005) nghiên cứu thiết kế tối ưu hệ thống phòng chống ngập và chiều cao tuyến đê dựa trên phân tích rủi ro cho lưu vực sông. Danandehmehr (2005) xây dựng mô hình tối ưu phi tuyến kết hợp kinh tế trong quản lý ngập lụt vùng đồng bằng. Jay R. Lund (2002) thiết lập mô hình tuyến tính hai giai đoạn tối thiểu hóa thiệt hại dự kiến và chi phí kiểm soát lũ tại Đại học California. Jonkman và cộng sự (2003, 2008) phát triển tiêu chí mức rủi ro chấp nhận được và phân tích rủi ro kinh tế để lựa chọn cấp lũ bảo vệ tối ưu cho hệ thống đê ngăn lũ đô thị tại Hoa Kỳ. Các nghiên cứu đánh giá rủi ro đa chiều cũng được chuẩn hóa qua khung lý thuyết của UN (1992), UNDP (2004), Birkmann (2006), Villagran de Leon (2004), Wisner và cộng sự (2004), Meyer và cộng sự (2007).

Các hướng nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, các nghiên cứu quy hoạch tiêu úng phần lớn tiếp cận theo hướng công trình truyền thống:

  • Các nghiên cứu của Viện Quy hoạch Thủy lợi, Lưu Văn Quân và cộng sự (2014, 2015) tập trung vào cân bằng nước, đề xuất công suất trạm bơm tiêu, nâng cấp đê bao và xây dựng hồ điều hòa trữ nước.
  • Hướng tiếp cận xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt, thủy văn, thủy lực được thực hiện bởi Việt Trinh (2010), Nguyễn Tuấn Anh và cộng sự (2012).
  • Hướng tiếp cận xây dựng bản đồ tính dễ bị tổn thương và bản đồ rủi ro ngập lụt bằng công nghệ GIS thông qua phương pháp chồng lớp bản đồ được triển khai bởi Nguyễn Mai Đăng (2010) cho lưu vực sông Đáy, Cấn Thu Văn và cộng sự (2014) cho lưu vực sông Vũ Gia – Thu Bồn, Vũ Thanh Tú (2014), và Hồ Phi Long và cộng sự (2013) cho khu vực TP. Hồ Chí Minh.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

  1. Các nghiên cứu trong nước chủ yếu thiên về kỹ thuật công trình, chưa tích hợp phân tích hiệu quả kinh tế để tìm điểm cân bằng tối ưu giữa chi phí đầu tư và mức giảm thiểu rủi ro trong giai đoạn quy hoạch.
  2. Thiếu hệ thống phương pháp luận hoàn chỉnh trong việc nhận dạng, phân loại và lượng hóa tiền tệ các loại hình thiệt hại gián tiếp, phi vật thể (thiệt hại sức khỏe, môi trường, đình trệ kinh doanh, giảm giá trị đất định cư).
  3. Thiếu nguồn số liệu điều tra trực tiếp từ hộ dân và doanh nghiệp tại vùng chịu ảnh hưởng, số liệu hiện có phụ thuộc vào báo cáo thống kê hành chính nên chưa phản ánh toàn diện thiệt hại thực tế.
  4. Chưa có mô hình bài toán quy hoạch tối ưu rủi ro hoàn chỉnh áp dụng cho vùng hỗn hợp (vừa có đất nông nghiệp, vừa có đô thị và khu công nghiệp đang phát triển).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và các khái niệm cốt lõi

  • Rủi ro úng ngập: Được xác định theo quan điểm đa chiều là hàm của Xác suất (Probability) và Thiệt hại (Damage): $$\text{Rủi ro} = \text{Xác suất} \times \text{Thiệt hại}$$
  • Nguy cơ rủi ro (Hazard): Xác suất xảy ra các kịch bản úng ngập gắn với chu kỳ lặp lại của lượng mưa hoặc dòng chảy lũ.
  • Tính dễ bị tổn thương (Vulnerability): Đặc tính của cá nhân hoặc cộng đồng liên quan đến khả năng dự đoán, đối phó, chống lại và phục hồi; cấu thành từ Tính phơi bày (Exposure), Tính nhạy cảm (Sensitivity) và Khả năng thích ứng (Adaptive capacity).
  • Rủi ro còn dư (Residual risk): Phần rủi ro còn lại sau khi đã thực hiện đầu tư công trình bảo vệ ở một cấp thiết kế nhất định ($P^$), xuất hiện khi xảy ra các trận ngập vượt quá tần suất thiết kế ($k \ge P^$): $$R(P^, C^) = \sum_{k \ge P^} P_k \times D_k$$ Trong đó: $R(P^, C^)$ là rủi ro còn dư ứng với mức bảo vệ $P^$; $D_k$ là thiệt hại chênh lệch tương ứng với cấp ngập $k$; $P_k$ là xác suất xuất hiện cấp ngập $k$ ($P_k = 1/k$); $C^$ là chi phí đầu tư ứng với mức bảo vệ $P^$.
+-------------------------------------------------------------------------------+
| KHUNG LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ RỦI RO ÚNG NGẬP                                      |
|                                                                               |
|   +-------------------+       +-----------------------+                       |
|   | Nguy cơ rủi ro    |   x   | Tính dễ bị tổn thương |                       |
|   | (Hazard - Pk)     |       | (Tính phơi bày, nhạy, |                       |
|   |                   |       |  khả năng thích ứng)  |                       |
|   +---------+---------+       +-----------+-----------+                       |
|             |                             |                                   |
|             +--------------+--------------+                                   |
|                            v                                                  |
|                 +--------------------+                                        |
|                 | Rủi ro úng ngập    |                                        |
|                 | = Xác suất x Hại   |                                        |
|                 +----------+---------+                                        |
|                            |                                                  |
|              +-------------+-------------+                                    |
|              v                           v                                    |
|   +---------------------+     +-----------------------+                       |
|   | Chi phí đầu tư (C*) |  +  | Rủi ro còn dư (R*)    | = TỔNG CHI PHÍ        |
|   | (Công trình, QLVH)  |     | (Ứng với k >= P*)     |   XÃ HỘI (MIN)        |
|   +---------------------+     +-----------------------+                       |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp các phương pháp nghiên cứu định tính và định lượng:

  • Phương pháp kế thừa và phân tích văn bản: Kế thừa các tài liệu khí tượng thủy văn, bản đồ địa hình, quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Vĩnh Phúc.
  • Phương pháp điều tra xã hội học: Thiết kế bảng hỏi, phỏng vấn trực tiếp hộ gia đình nông thôn và đô thị; phỏng vấn sâu các cơ sở sản xuất công nghiệp, kinh doanh dịch vụ nhằm thu thập số liệu thiệt hại trực tiếp và gián tiếp.
  • Phương pháp mô hình hóa thủy văn - thủy lực: Thiết lập mô hình toán thủy lực mô phỏng quá trình ngập úng theo các kịch bản tần suất mưa lũ khác nhau để xây dựng bản đồ ngập lụt, xác định diện tích và độ sâu ngập.
  • Phương pháp kinh tế lượng và thống kê: Thiết lập các hàm tương quan phi tuyến dạng $Y = aX^b$ giữa diện tích ngập, độ sâu ngập với giá trị thiệt hại kinh tế; xác định hàm chi phí đầu tư công trình theo công suất và cấp bảo vệ.
  • Phương pháp tối ưu hóa phi tuyến: Thiết lập bài toán tối ưu rủi ro (Risk-Based Optimization - RBO), tìm cực tiểu của hàm mục tiêu tổng chi phí xã hội (tổng chi phí đầu tư và giá trị rủi ro còn dư) dưới các điều kiện ràng buộc về an toàn và ngân sách. Sử dụng công cụ giải toán tối ưu đại số tổng quát GAMS (General Algebraic Modeling System).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu quy hoạch phòng chống úng ngập trên cơ sở phân tích rủi ro

Chương này tổng kết cơ sở lý luận về rủi ro, phân loại rủi ro thiên tai và rủi ro úng ngập. Nội dung trình bày phân tích các xu hướng nghiên cứu ngập úng trên thế giới tại các quốc gia như Hà Lan, Hoa Kỳ, Thái Lan, Bangladesh, Malaysia và Australia.

Chương 1 hệ thống hóa hai quan điểm đánh giá rủi ro:

  1. Quan điểm đơn mục tiêu: Tiếp cận kỹ thuật dựa trên xác suất vượt quá lưu lượng đỉnh lũ $F(q) \le P(Q_{\max} \le q)$.
  2. Quan điểm đa mục tiêu: Tiếp cận kinh tế - xã hội, lượng hóa rủi ro thành thiệt hại kỳ vọng về người, tài sản, cơ sở hạ tầng và môi trường.

Chương này chỉ ra các tồn tại chính trong thực tiễn quy hoạch tại Việt Nam: quy hoạch còn nặng tính kỹ thuật cục bộ; thiếu cơ sở xác định tần suất tiêu thiết kế tối ưu; số liệu thiệt hại chưa phản ánh đầy đủ các khía cạnh gián tiếp từ cấp hộ dân và cơ sở sản xuất; chưa xây dựng được quy trình quy hoạch tích hợp bài toán kinh tế - kỹ thuật.

Chương 2: Phương pháp luận về quy hoạch phòng chống úng ngập dựa trên phân tích rủi ro

Chương 2 thiết lập khung phương pháp luận cho bài toán quy hoạch tiêu úng tối ưu rủi ro.

1. Tổng hợp các tiếp cận quy hoạch giảm thiểu rủi ro

Luận án phân loại 5 cách tiếp cận quy hoạch giảm thiểu rủi ro úng ngập:

STT Phương pháp tiếp cận Tần suất / Xác suất Thiệt hại / Rủi ro Chi phí đầu tư
I Tiếp cận kinh nghiệm Không Không Không
II Tiếp cận dựa trên chu kỳ lặp của trận ngập Có xét Không Không
III Tiếp cận theo chu kỳ lặp của riêng từng vùng Có xét Có xét Không
IV Tiếp cận mức rủi ro chấp nhận được Có xét Có xét Không
V Tiếp cận phân tích tối ưu rủi ro (RBO) Có xét Có xét Có xét

2. Các phương pháp đánh giá kinh tế

Luận án phân tích 4 công cụ kinh tế phục vụ đánh giá dự án giảm thiểu rủi ro:

  • Phân tích chi phí tối thiểu (Cost Minimization Analysis - CMA).
  • Phân tích chi phí hiệu quả (Cost Effectiveness Analysis - CEA).
  • Phân tích đa mục tiêu (Multi-Criteria Analysis - MCA).
  • Phân tích chi phí lợi ích (Cost Benefit Analysis - CBA).

3. Phương pháp ước lượng thiệt hại và xây dựng hàm toán học

Phân loại thiệt hại úng ngập thành trực tiếp và gián tiếp đối với các lĩnh vực: nông nghiệp, nhà cửa, cơ sở hạ tầng xã hội, đất đai định cư, vệ sinh môi trường, y tế, sản xuất công nghiệp và giao thông. Sử dụng các kỹ thuật định giá: giá trị thống kê nhân mạng (VSL), sẵn lòng chi trả (WTP), chấp nhận đền bù (WTA) và phương pháp đánh giá ngẫu nhiên (CVM). Thiết lập dạng hàm toán học phi tuyến biểu diễn quan hệ chi phí và thiệt hại: $$Y = aX^b$$

4. Thiết lập bài toán tối ưu rủi ro

Bài toán tìm nghiệm tối ưu được phân biệt giữa tối ưu toàn cục (Global Optimization) và tối ưu cục bộ (Local Optimization) có ràng buộc ngân sách ($C \le C_{\max}$) và ràng buộc an toàn kỹ thuật. Luận án lựa chọn phần mềm GAMS làm công cụ giải thuật toán tối ưu phi tuyến.

Chương 3: Xây dựng và phân tích kết quả mô hình bài toán quy hoạch phòng chống úng ngập tối ưu lưu vực sông Phan – Cà Lồ tỉnh Vĩnh Phúc

Chương 3 áp dụng toàn bộ khung phương pháp luận vào vùng nghiên cứu thực nghiệm tại Vùng 2 thuộc lưu vực sông Phan – Cà Lồ, tỉnh Vĩnh Phúc.

+-------------------------------------------------------------------------------+
| CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN QUY HOẠCH TỐI ƯU RỦI RO CHO LƯU VỰC SÔNG PHAN - CÀ LỒ     |
|                                                                               |
|  [Dữ liệu mưa, địa hình, thủy văn] -> [Mô hình thủy lực & Bản đồ ngập úng]     |
|                                                     |                         |
|                                                     v                         |
|  [Khảo sát hộ dân & doanh nghiệp]  -> [Tính toán 10 nhóm thiệt hại kinh tế]   |
|                                                     |                         |
|                                                     v                         |
|  [Thiết lập hàm chi phí C* & hàm rủi ro R*] -> [Mô hình tối ưu hóa GAMS]       |
|                                                     |                         |
|                                                     v                         |
|  [Kết quả: Chu kỳ lặp tối ưu T=10 năm (P=10%) & Tổ hợp trạm bơm/hồ điều hòa]  |
+-------------------------------------------------------------------------------+

1. Đặc điểm vùng nghiên cứu và tính toán thủy lực

Lưu vực sông Phan – Cà Lồ tại Vĩnh Phúc là khu vực phát triển kinh tế trọng điểm nhưng có địa hình trũng thấp, mạng lưới sông dốc từ thượng lưu và nghẽn tắc ở hạ lưu. Luận án thiết lập mô hình thủy lực, hiệu chỉnh mực nước thực đo và mô phỏng theo các kịch bản tần suất mưa lũ ($P = 1%, 2%, 5%, 10%, 20%$). Kết quả mô phỏng cho thấy diện tích và thời gian ngập phân bổ theo các cấp độ sâu khác nhau ở điều kiện hiện trạng.

2. Tính toán 10 nhóm thiệt hại kinh tế

Luận án lượng hóa 10 nhóm thiệt hại phục vụ bài toán quy hoạch:

  1. Thiệt hại do mất hoàn toàn diện tích canh tác nông nghiệp (lúa, hoa màu, thủy sản).
  2. Thiệt hại do giảm năng suất cây trồng.
  3. Thiệt hại khắc phục sửa chữa nhà cửa, đô thị.
  4. Thiệt hại cơ sở hạ tầng xã hội.
  5. Thiệt hại do giảm giá trị đất định cư.
  6. Thiệt hại chi phí vệ sinh môi trường.
  7. Thiệt hại chi phí y tế điều trị bệnh tật phát sinh do ngập úng.
  8. Thiệt hại đối với hoạt động sản xuất công nghiệp.
  9. Thiệt hại liên quan đến đình trệ lao động, kinh doanh và giao thông.
  10. Tổng hợp thiệt hại và tính toán giá trị rủi ro còn dư theo từng cấp lũ.

3. Kết quả bài toán tối ưu và đề xuất quy hoạch

Dựa trên các hàm thiệt hại và hàm chi phí đầu tư xây dựng trạm bơm, nạo vét lòng dẫn và hồ điều hòa, bài toán tối ưu phi tuyến được giải trên phần mềm GAMS theo cả phương pháp tối ưu rời rạc và hàm liên tục.

Kết quả tính toán xác định:

  • Cấp bảo vệ tối ưu về mặt kinh tế - xã hội cho vùng nghiên cứu đạt được tại tần suất lũ thiết kế $P = 10%$ (tương ứng chu kỳ lặp lại $T = 10\text{ năm}$).
  • Tổ hợp giải pháp công trình được lựa chọn tương ứng với cấp tiêu tối ưu bao gồm phân chia tiểu lưu vực tiêu, bố trí công suất trạm bơm tiêu đầu mối kết hợp hồ điều tiết và nạo vét lòng dẫn sông Phan, mang lại giá trị hàm mục tiêu tổng chi phí và rủi ro còn dư nhỏ nhất.
  • Luận án hoàn thiện sơ đồ quy trình gồm các bước thực hiện tính toán quy hoạch phòng chống úng ngập tối ưu rủi ro áp dụng cho một lưu vực sông.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xây dựng phương pháp luận tích hợp đồng thời yếu tố kỹ thuật thủy lực và phân tích kinh tế rủi ro trong lập quy hoạch phòng chống úng ngập, khắc phục hạn chế của cách tiếp cận thuần kỹ thuật truyền thống.
  2. Hoàn thiện hệ thống nhận dạng, phân loại và các mô hình lượng hóa tiền tệ cho các loại hình thiệt hại trực tiếp và gián tiếp (bao gồm cả thiệt hại về môi trường, y tế, gián tiếp kinh doanh và đất đai).
  3. Thiết lập bài toán tối ưu rủi ro phi tuyến (RBO) xác định cấp bảo vệ tối ưu và công suất công trình tiêu thoát nước; đề xuất ứng dụng phần mềm GAMS làm công cụ giải toán tối ưu trong quy hoạch tài nguyên nước.
  4. Chuẩn hóa quy trình các bước thực hiện lập quy hoạch phòng chống úng ngập dựa trên phân tích tối ưu rủi ro cho lưu vực sông hoặc vùng nghiên cứu hỗn hợp.

Đóng góp thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Cung cấp bộ số liệu điều tra chi tiết về thiệt hại úng ngập tại cấp hộ gia đình và cơ sở sản xuất trên địa bàn lưu vực sông Phan – Cà Lồ, tỉnh Vĩnh Phúc.
  2. Xác định tần suất lũ tiêu thiết kế tối ưu ($P = 10%$, chu kỳ lặp 10 năm) và phương án tổ hợp công trình tiêu thoát nước đầu mối cho vùng nghiên cứu lưu vực sông Phan – Cà Lồ, cung cấp cơ sở khoa học để UBND tỉnh Vĩnh Phúc và các cơ quan quản lý phân bổ ngân sách đầu tư xây dựng hợp lý.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Nghiên cứu tập trung vào giai đoạn quy hoạch tổng thể để xác định quy mô công trình đầu mối, chưa đi sâu giải quyết các bài toán tiêu thoát nước cục bộ nội vùng giữa các tiểu khu.
  • Cơ sở dữ liệu điều tra, khảo sát kinh tế - xã hội được cập nhật đến mốc năm 2016.
  • Mô hình tối ưu giả định quá trình quản lý, vận hành và thi công công trình tuân thủ đúng thiết kế, chưa xét đến các biến cố rủi ro do sự cố vỡ đê bất ngờ hoặc sai sót trong vận hành hệ thống.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng ứng dụng mô hình và quy trình tính toán cho các lưu vực sông khác có đặc điểm địa hình, thủy văn và mức độ đô thị hóa khác nhau (như khu vực miền Trung hoặc đồng bằng sông Cửu Long).
  • Tích hợp thêm các kịch bản biến đổi khí hậu dài hạn và thay đổi sử dụng đất chi tiết sau năm 2030 vào bài toán tối ưu rủi ro động.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Cơ quan quản lý và quy hoạch nhà nước (Bộ Nông nghiệp và PTNT, Viện Quy hoạch Thủy lợi, UBND cấp tỉnh): Tham khảo quy trình tích hợp kinh tế - kỹ thuật để ra quyết định phân bổ nguồn vốn đầu tư công trình tiêu thoát nước và xác định cấp bảo vệ thiết kế tối ưu.
  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước, Thủy văn, Kinh tế tài nguyên: Tham khảo phương pháp xây dựng hàm thiệt hại kinh tế phi tuyến, phương pháp phỏng vấn điều tra rủi ro thiên tai và kỹ thuật thiết lập mô hình tối ưu trên phần mềm GAMS.
  • Đơn vị tư vấn thiết kế công trình thủy lợi: Ứng dụng công thức tính toán rủi ro còn dư để đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của các dự án xây dựng đê điều, trạm bơm và hồ điều hòa.

Câu hỏi thường gặp

1. Khái niệm "rủi ro còn dư" (Residual risk) trong luận án được xác định như thế nào?

Rủi ro còn dư là phần rủi ro còn lại sau khi đã xây dựng và vận hành hệ thống công trình bảo vệ ở một cấp thiết kế nhất định ($P^$). Trong trường hợp rời rạc, rủi ro còn dư được tính bằng tổng tích số giữa xác suất xuất hiện $P_k$ và thiệt hại chênh lệch $D_k$ của tất cả các cấp lũ $k$ vượt quá mức bảo vệ ($k \ge P^$): $$R(P^, C^) = \sum_{k \ge P^*} P_k \times D_k$$

2. Luận án đã tổng hợp những cách tiếp cận quy hoạch giảm thiểu rủi ro nào?

Luận án tổng hợp 5 cách tiếp cận:

  • Tiếp cận kinh nghiệm (I)
  • Tiếp cận dựa trên chu kỳ lặp của trận ngập (II)
  • Tiếp cận theo chu kỳ lặp của riêng từng vùng (III)
  • Tiếp cận mức rủi ro chấp nhận được (IV)
  • Tiếp cận phân tích tối ưu rủi ro (V - Risk Based Optimization)

3. Những nhóm thiệt hại kinh tế nào được lượng hóa cho lưu vực sông Phan – Cà Lồ?

Luận án lượng hóa 10 nhóm thiệt hại:

  1. Mất hoàn toàn diện tích nông nghiệp (lúa, hoa màu, thủy sản)
  2. Giảm năng suất cây trồng
  3. Sửa chữa nhà cửa đô thị
  4. Hạ tầng xã hội
  5. Giảm giá trị đất định cư
  6. Vệ sinh môi trường
  7. Chi phí y tế điều trị bệnh
  8. Gián đoạn sản xuất công nghiệp
  9. Đình trệ lao động, kinh doanh và giao thông
  10. Tổng hợp thiệt hại và ước lượng rủi ro còn dư theo cấp lũ

4. Công cụ toán học nào được đề xuất để giải bài toán quy hoạch tối ưu phi tuyến?

Luận án đề xuất và sử dụng Hệ thống mô hình đại số tổng quát GAMS (General Algebraic Modeling System) để lập trình và tìm nghiệm tối ưu cho bài toán tối ưu phi tuyến có các điều kiện ràng buộc về an toàn và giới hạn ngân sách đầu tư.

5. Tần suất lũ thiết kế tối ưu được xác định cho lưu vực sông Phan – Cà Lồ là bao nhiêu?

Qua phân tích tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật trên phần mềm GAMS, cấp bảo vệ tối ưu đạt mức cực tiểu của tổng chi phí đầu tư và rủi ro còn dư cho Vùng 2 lưu vực sông Phan – Cà Lồ là tần suất lũ $P = 10%$, tương ứng với chu kỳ lặp lại 10 năm ($T = 10\text{ năm}$).

Kết luận

Luận án của tác giả Nguyễn Thiện Dũng đã giải quyết bài toán tích hợp giữa kỹ thuật thủy lực và phân tích kinh tế rủi ro trong công tác lập quy hoạch phòng chống úng ngập. Bằng việc xây dựng mô hình toán tối ưu phi tuyến giải trên GAMS và lượng hóa toàn diện 10 nhóm thiệt hại kinh tế, nghiên cứu đã khắc phục cách tiếp cận thuần kỹ thuật trước đây. Kết quả áp dụng thực nghiệm tại lưu vực sông Phan – Cà Lồ tỉnh Vĩnh Phúc đã xác định được tần suất tiêu thiết kế tối ưu $P = 10%$ cùng tổ hợp công trình đầu mối phù hợp, cung cấp cơ sở khoa học cho quản lý rủi ro thiên tai bền vững.