Tổng quan nghiên cứu
Lưu vực sông Dinh, tỉnh Quảng Bình, có diện tích khoảng 212 km² với mạng lưới sông suối mật độ 0,93 km/km², là khu vực chịu ảnh hưởng mạnh của các hiện tượng thiên tai như bão, lũ và ngập lụt. Trên lưu vực hiện có gần 10 hồ chứa với tổng dung tích hơn 40 triệu m³, trong đó hồ Thác Chuối là công trình đầu mối quan trọng. Việc xây dựng và vận hành các hồ chứa đã làm thay đổi dòng chảy tự nhiên, ảnh hưởng đến tài nguyên nước, hệ sinh thái và sinh kế của người dân vùng hạ lưu. Đặc biệt, trong bối cảnh biến đổi khí hậu, tần suất và cường độ các hiện tượng thiên tai gia tăng, đòi hỏi nâng cao chất lượng dự báo lũ và mô phỏng ngập lụt để phục vụ vận hành an toàn hồ chứa và giảm thiểu thiệt hại.
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng phương án dự báo dòng chảy lũ đến hồ Thác Chuối và mô phỏng ngập lụt vùng hạ lưu sông Dinh nhằm hỗ trợ công tác phòng chống thiên tai và vận hành hồ chứa hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thượng lưu hồ Thác Chuối và vùng hạ lưu các hồ chứa trên lưu vực sông Dinh, tỉnh Quảng Bình, trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2017. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho công tác dự báo, cảnh báo lũ, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường khu vực.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:
Lý thuyết dự báo tổ hợp (Ensemble Prediction System - EPS): Hệ thống dự báo tổ hợp được sử dụng để giảm thiểu sai số dự báo mưa và lũ bằng cách kết hợp nhiều mô hình dự báo với trọng số khác nhau, giúp nắm bắt các nguồn bất định do điều kiện ban đầu và điều kiện biên.
Mô hình thủy văn và thủy lực MIKE: Mô hình MIKE NAM được sử dụng để dự báo dòng chảy lũ, trong khi mô hình MIKE 21 2D phục vụ mô phỏng ngập lụt vùng hạ lưu, giúp đánh giá ảnh hưởng của hồ chứa đến ngập lụt.
Các chỉ số đánh giá chất lượng dự báo: Bao gồm sai số trung bình (ME), sai số tuyệt đối trung bình (MAE), sai số bình phương trung bình (MSE), hệ số tương quan (R), chỉ số FBI, POD, FAR, ETS, giúp đánh giá độ chính xác và tin cậy của sản phẩm dự báo mưa và lũ.
Các khái niệm chính bao gồm: dự báo mưa số trị, dự báo tổ hợp, mô hình thủy văn, mô hình thủy lực, ngập lụt vùng hạ lưu, vận hành hồ chứa an toàn.
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn dữ liệu: Số liệu mưa quan trắc tại 6 trạm khí tượng thủy văn trong lưu vực (Nông trường Việt Trung, hồ Thác Chuối, Đồng Tâm, Tuyên Hóa, Minh Hóa, Đồng Hới), số liệu dòng chảy trạm Đồng Tâm, mực nước trạm Đồng Hới, cùng các sản phẩm dự báo mưa số trị từ mô hình CFS và GES.
Phương pháp phân tích: Dữ liệu mưa dự báo được nội suy về điểm trạm bằng phương pháp nội suy song tuyến tính để phù hợp với mạng lưới quan trắc thưa thớt. Phương pháp tổ hợp có trọng số được áp dụng để cải thiện chất lượng dự báo mưa, dựa trên hệ số tương quan giữa dự báo và quan trắc tại từng điểm trạm.
Mô hình thủy văn và thủy lực: Mô hình MIKE NAM được hiệu chỉnh và kiểm định để dự báo dòng chảy lũ đến hồ Thác Chuối. Mô hình MIKE 21 2D được thiết lập để mô phỏng ngập lụt vùng hạ lưu, đánh giá ảnh hưởng của hồ chứa đến ngập lụt.
Timeline nghiên cứu: Thu thập và xử lý số liệu từ năm 2010 đến 2017, đánh giá các trận mưa lớn điển hình trong giai đoạn này, hiệu chỉnh mô hình và xây dựng phương án dự báo lũ phục vụ vận hành hồ chứa.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Chất lượng dự báo mưa số trị: Qua đánh giá 1705 mẫu dữ liệu mưa lớn trong năm 2016, các chỉ số ME dao động từ -0,09 đến 0,09, MAE từ 0,156 đến 0,39, RMSE từ 0,375 đến 0,56, hệ số tương quan R đạt khoảng 0,3 đến 0,45 tùy trạm. Kết quả cho thấy mô hình có xu hướng dự báo thấp hơn thực tế (ME âm nhẹ), nhưng sau khi hiệu chỉnh tổ hợp trọng số, chất lượng dự báo được cải thiện rõ rệt, giảm sai số RMSE và tăng hệ số tương quan.
Hiệu quả phương pháp tổ hợp trọng số: Việc kết hợp sản phẩm dự báo mưa từ mô hình CFS và GES với trọng số dựa trên hệ số tương quan tại từng điểm trạm giúp giảm sai số dự báo mưa, tăng độ tin cậy cho dữ liệu đầu vào mô hình thủy văn.
Dự báo dòng chảy lũ đến hồ Thác Chuối: Mô hình MIKE NAM sau hiệu chỉnh cho kết quả dự báo dòng chảy lũ phù hợp với số liệu quan trắc, sai số trung bình dưới 15%, hệ số tương quan đạt trên 0,7 trong các trận lũ điển hình từ 2013 đến 2017.
Mô phỏng ngập lụt vùng hạ lưu: Mô hình MIKE 21 2D mô phỏng chính xác diện tích và độ sâu ngập lụt trong các trận lũ lớn, với sai số diện tích ngập dưới 10% so với quan trắc thực tế. Kịch bản vận hành hồ chứa cho thấy hồ chứa có tác động giảm diện tích ngập lụt khoảng 20-30% trong vùng hạ lưu.
Thảo luận kết quả
Nguyên nhân chất lượng dự báo mưa còn hạn chế chủ yếu do độ phân giải không gian của các mô hình toàn cầu còn thô, chưa nắm bắt tốt các hiện tượng mưa quy mô vừa và nhỏ đặc trưng cho khu vực miền Trung. Việc áp dụng phương pháp tổ hợp trọng số và nội suy song tuyến tính giúp cải thiện đáng kể chất lượng dự báo, phù hợp với đặc điểm mạng lưới quan trắc thưa thớt của lưu vực sông Dinh.
So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả dự báo dòng chảy và mô phỏng ngập lụt của luận văn đạt mức độ chính xác cao, tương đương hoặc vượt trội so với các mô hình thủy văn thủy lực được áp dụng cho các lưu vực tương tự. Việc đánh giá ảnh hưởng vận hành hồ chứa đến ngập lụt vùng hạ lưu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho công tác quản lý và vận hành hồ chứa an toàn, giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt.
Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ sai số dự báo mưa theo thời gian, bảng so sánh chỉ số đánh giá mô hình trước và sau hiệu chỉnh, bản đồ mô phỏng ngập lụt vùng hạ lưu trong các kịch bản vận hành hồ chứa khác nhau.
Đề xuất và khuyến nghị
Tăng cường mạng lưới quan trắc: Cải thiện mật độ và chất lượng trạm đo mưa, dòng chảy tự động trong lưu vực sông Dinh để nâng cao độ chính xác dữ liệu đầu vào cho mô hình dự báo. Chủ thể thực hiện: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Bình, thời gian 2 năm.
Phát triển hệ thống dự báo tổ hợp khu vực: Xây dựng và vận hành hệ thống dự báo mưa lũ tổ hợp có độ phân giải cao, kết hợp mô hình toàn cầu và mô hình khu vực, nhằm nâng cao chất lượng dự báo mưa lũ phục vụ vận hành hồ chứa. Chủ thể: Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia, thời gian 3 năm.
Ứng dụng mô hình thủy văn thủy lực hiện đại: Tiếp tục hiệu chỉnh và cập nhật mô hình MIKE NAM và MIKE 21 2D, mở rộng phạm vi mô phỏng để bao phủ toàn bộ lưu vực, phục vụ công tác quy hoạch và vận hành hồ chứa an toàn. Chủ thể: Trường Đại học Thủy lợi, Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Quảng Bình, thời gian 2 năm.
Xây dựng kịch bản vận hành hồ chứa thích ứng: Phát triển các phương án vận hành hồ chứa linh hoạt dựa trên dự báo lũ chính xác, giảm thiểu ngập lụt vùng hạ lưu và đảm bảo an toàn công trình. Chủ thể: Ban Quản lý hồ chứa, thời gian 1 năm.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Cơ quan quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai: Sử dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả quản lý vận hành hồ chứa, xây dựng phương án phòng chống lũ lụt phù hợp.
Trung tâm dự báo khí tượng thủy văn: Áp dụng phương pháp tổ hợp trọng số và mô hình thủy văn thủy lực để cải thiện chất lượng dự báo mưa lũ và cảnh báo ngập lụt.
Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành thủy văn, thủy lợi: Tham khảo phương pháp luận, mô hình và kết quả nghiên cứu phục vụ phát triển các đề tài liên quan.
Đơn vị quy hoạch và phát triển hạ tầng thủy lợi: Sử dụng mô phỏng ngập lụt và đánh giá ảnh hưởng vận hành hồ chứa để thiết kế các công trình phòng chống thiên tai hiệu quả.
Câu hỏi thường gặp
Phương pháp tổ hợp trọng số dự báo mưa là gì?
Phương pháp này kết hợp các sản phẩm dự báo mưa từ nhiều mô hình khác nhau với trọng số dựa trên hệ số tương quan giữa dự báo và quan trắc tại từng điểm trạm, giúp giảm sai số và tăng độ tin cậy của dự báo.Mô hình MIKE NAM và MIKE 21 khác nhau như thế nào?
MIKE NAM là mô hình thủy văn dùng để dự báo dòng chảy lũ, còn MIKE 21 là mô hình thủy lực 2 chiều dùng để mô phỏng ngập lụt vùng hạ lưu, giúp đánh giá ảnh hưởng của dòng chảy đến ngập lụt.Tại sao cần hiệu chỉnh sản phẩm dự báo mưa?
Do độ phân giải không gian của mô hình toàn cầu còn thô và đặc điểm địa hình phức tạp, dự báo mưa thường có sai số. Hiệu chỉnh giúp điều chỉnh dự báo phù hợp với số liệu quan trắc thực tế, nâng cao độ chính xác.Ảnh hưởng của hồ chứa đến ngập lụt vùng hạ lưu như thế nào?
Vận hành hồ chứa có thể giảm diện tích và độ sâu ngập lụt vùng hạ lưu từ 20-30% trong các trận lũ lớn, giúp giảm thiểu thiệt hại cho khu vực dân cư và sản xuất.Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn?
Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho các cơ quan quản lý vận hành hồ chứa, xây dựng hệ thống dự báo và cảnh báo lũ, từ đó đưa ra các phương án vận hành hồ chứa an toàn và hiệu quả.
Kết luận
- Luận văn đã xây dựng thành công phương án dự báo dòng chảy lũ đến hồ Thác Chuối và mô phỏng ngập lụt vùng hạ lưu sông Dinh với độ chính xác cao, hỗ trợ vận hành hồ chứa an toàn.
- Phương pháp tổ hợp trọng số kết hợp với nội suy song tuyến tính giúp cải thiện chất lượng dự báo mưa số trị trong điều kiện mạng lưới quan trắc thưa thớt.
- Mô hình thủy văn MIKE NAM và mô hình thủy lực MIKE 21 2D được hiệu chỉnh và kiểm định kỹ lưỡng, phù hợp với đặc điểm lưu vực và các trận lũ điển hình.
- Kết quả mô phỏng cho thấy vận hành hồ chứa có tác động tích cực trong giảm thiểu ngập lụt vùng hạ lưu, góp phần bảo vệ sinh kế và tài sản người dân.
- Đề xuất các giải pháp nâng cao mạng lưới quan trắc, phát triển hệ thống dự báo tổ hợp và xây dựng kịch bản vận hành hồ chứa thích ứng nhằm tăng cường hiệu quả phòng chống thiên tai.
Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và đơn vị liên quan cần phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời tiếp tục nghiên cứu nâng cao chất lượng dự báo và mô phỏng phục vụ phát triển bền vững lưu vực sông Dinh.