Tổng quan nghiên cứu
Lưu vực sông Hương, với diện tích khoảng 2.830 km², là một trong những lưu vực thủy văn quan trọng tại tỉnh Thừa Thiên Huế, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của biến đổi khí hậu và các hiện tượng thiên tai ngày càng phức tạp. Trung bình mỗi năm, lưu vực này đón nhận tổng lượng nước mặt khoảng 9,975 tỷ m³, trong đó lượng nước từ các sông nhánh chính như sông Bồ chiếm khoảng 33% diện tích lưu vực. Thành phố Huế, nằm trong vùng hạ lưu sông Hương, chịu ảnh hưởng trực tiếp từ các đợt lũ lụt với khoảng 2/3 dân số bị tác động, gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản.
Vấn đề dự báo dòng chảy lũ trên lưu vực sông Hương trở nên cấp thiết nhằm nâng cao hiệu quả công tác phòng chống và giảm nhẹ thiên tai. Tuy nhiên, đặc điểm địa hình dốc, sông ngắn, lượng mưa phân bố không đồng đều theo không gian và thời gian, cùng với mạng lưới sông suối phức tạp đã tạo ra thách thức lớn cho các phương pháp dự báo truyền thống. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng mô hình thủy văn thông số phân bố GBHM (Geomorphology-Based Hydrological Model) kết hợp công nghệ GIS để dự báo dòng chảy lũ ngắn hạn tại lưu vực sông Hương, đặc biệt tại trạm thuỷ văn Kim Long, nhằm đa dạng hóa các phương án dự báo hiện có và nâng cao độ chính xác dự báo phục vụ công tác phòng chống thiên tai.
Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lưu vực sông Hương với dữ liệu thu thập từ các trạm khí tượng thủy văn trong giai đoạn nhiều năm, đặc biệt là các năm 2009-2010. Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện chất lượng dự báo lũ, giảm thiểu thiệt hại do lũ gây ra, đồng thời góp phần phát triển các công cụ dự báo hiện đại, phù hợp với điều kiện địa phương và xu hướng ứng dụng công nghệ cao trong thủy văn.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: mô hình toán thủy văn và công nghệ GIS trong thủy văn. Mô hình toán thủy văn được phân loại thành mô hình ngẫu nhiên, mô hình xác định và mô hình kết hợp xác định-ngẫu nhiên. GBHM thuộc nhóm mô hình thủy văn thông số phân bố, mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy trên lưu vực bằng cách chia lưu vực thành các ô lưới (grid), mỗi ô được xem như một phần tử thủy văn riêng biệt, xét đến các yếu tố địa hình, thảm phủ, loại đất và phân bố mưa theo không gian và thời gian.
Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm:
- Mô hình thủy văn thông số phân bố (Distributed Hydrological Model): Mô hình tính toán dòng chảy dựa trên phân bố không gian của các yếu tố thủy văn, khác với mô hình tập trung chỉ xét giá trị trung bình trên toàn lưu vực.
- Công nghệ GIS (Geographic Information System): Hỗ trợ xử lý dữ liệu địa hình số (DEM), bản đồ sử dụng đất, đất đai, mạng lưới sông suối, giúp tạo dữ liệu đầu vào dạng lưới cho mô hình GBHM.
- Hiệu chỉnh tham số mô hình: Quá trình điều chỉnh các tham số mô hình dựa trên dữ liệu thực đo nhằm nâng cao độ chính xác của mô hình trong dự báo dòng chảy lũ.
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu mưa, mực nước, và dự báo mưa số trị HRM từ Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương, cùng các bản đồ địa hình số (DEM), bản đồ sử dụng đất và đất đai thu thập qua GIS. Cỡ mẫu dữ liệu được lấy từ các trạm khí tượng thủy văn như Kim Long, Phú ốc, Thượng Nhật, Nam Đông trong giai đoạn từ 1977 đến 2010, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy.
Phương pháp phân tích bao gồm:
- Xử lý và chuyển đổi dữ liệu đầu vào sang dạng lưới (grid) phù hợp với mô hình GBHM.
- Sử dụng phần mềm GIS (ArcGIS, MapInfo, Arclnfo Workstation) để phân tích địa hình, phân vùng lưu vực, xác định outlet, watershed và các subbasins.
- Lập trình và hiệu chỉnh mô hình GBHM bằng ngôn ngữ FORTRAN và Visual Studio, xây dựng phần mềm tự động truy xuất và chuyển đổi dữ liệu đầu vào.
- Kiểm định mô hình bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với số liệu thực đo tại trạm Kim Long trong các năm 2009 và 2010, sử dụng các chỉ tiêu đánh giá như hệ số Nash-Sutcliffe, sai số trung bình tuyệt đối.
Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 2 năm, từ thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh đến kiểm định và đánh giá khả năng ứng dụng.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Hiệu quả mô hình GBHM trong dự báo lũ: Mô hình GBHM đã mô phỏng chính xác quá trình dòng chảy lũ tại trạm Kim Long với hệ số Nash-Sutcliffe đạt khoảng 0,85, sai số trung bình tuyệt đối dưới 10%, cho thấy khả năng dự báo lũ ngắn hạn hiệu quả, vượt trội so với các mô hình tập trung truyền thống.
Ảnh hưởng của phân bố mưa không đồng đều: Kết quả phân tích cho thấy lượng mưa phân bố không đồng đều theo không gian và thời gian, đặc biệt tại các vùng núi cao như A Lưới và Nam Đông với lượng mưa năm lên đến 5.000-8.600 mm, ảnh hưởng lớn đến quá trình hình thành lũ. Mô hình GBHM với khả năng xử lý dữ liệu phân bố không gian đã phản ánh tốt đặc điểm này.
Tốc độ truyền lũ nhanh và cường suất lớn: Thời gian truyền lũ từ thượng nguồn (Thượng Nhật) đến hạ lưu (Kim Long) chỉ khoảng 5-6 giờ với tốc độ truyền lũ trung bình 12 km/h, cường suất lũ lên đến 259 cm/h tại Kim Long, cho thấy thách thức lớn trong dự báo và cảnh báo sớm.
Tác động của hồ chứa và công trình thủy lợi: Việc xây dựng các hồ chứa như Bình Điền, Bê Luông, Cổ Bi có ảnh hưởng điều tiết dòng chảy, tuy nhiên các hồ này chưa được mô hình hóa đầy đủ trong các phương pháp truyền thống. Mô hình GBHM đã tích hợp thuật toán khắc phục vấn đề hồ chứa, giúp cải thiện độ chính xác dự báo.
Thảo luận kết quả
Nguyên nhân chính của hiệu quả mô hình GBHM là do khả năng mô phỏng phân bố không gian của các yếu tố thủy văn như mưa, thảm phủ, địa hình, loại đất, giúp phản ánh chính xác quá trình hình thành và truyền lũ trên lưu vực có địa hình phức tạp như sông Hương. So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng mô hình TANK, Mike11 hay Marine, GBHM cho kết quả dự báo lũ có độ chính xác cao hơn, đặc biệt trong điều kiện mưa lớn, lũ lên nhanh.
Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh lưu lượng thực đo và mô phỏng tại trạm Kim Long, bảng thống kê các chỉ tiêu đánh giá mô hình, bản đồ phân bố mưa và lưu vực phân chia theo subbasins. Kết quả này khẳng định tính ưu việt của mô hình thủy văn thông số phân bố trong dự báo lũ tại các lưu vực miền Trung có đặc điểm địa hình dốc và mưa phân bố không đồng đều.
Đề xuất và khuyến nghị
Triển khai ứng dụng mô hình GBHM trong công tác dự báo lũ tại Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương: Tự động hóa quy trình nhập liệu và vận hành mô hình để rút ngắn thời gian dự báo, nâng cao độ chính xác dự báo lũ ngắn hạn, đặc biệt tại trạm Kim Long. Thời gian thực hiện: 1 năm; chủ thể: Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương.
Mở rộng mô hình GBHM cho các lưu vực khác có đặc điểm tương tự: Áp dụng mô hình cho các lưu vực miền Trung và Tây Nguyên nhằm đa dạng hóa công cụ dự báo, phục vụ công tác phòng chống thiên tai hiệu quả hơn. Thời gian: 2 năm; chủ thể: Viện Khoa học Thủy lợi và các đơn vị nghiên cứu.
Tăng cường thu thập và cập nhật dữ liệu khí tượng thủy văn chất lượng cao: Đầu tư nâng cấp mạng lưới trạm đo mưa, mực nước tự động, tích hợp dữ liệu vệ tinh và dự báo số trị để cung cấp đầu vào chính xác cho mô hình. Thời gian: liên tục; chủ thể: Bộ Tài nguyên và Môi trường, Trung tâm Dự báo KTTV.
Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn cho cán bộ vận hành mô hình: Tổ chức các khóa đào tạo về mô hình GBHM, GIS và phân tích dữ liệu thủy văn nhằm đảm bảo vận hành mô hình hiệu quả và khai thác tối đa tiềm năng của công nghệ. Thời gian: 6 tháng; chủ thể: Trường Đại học Thủy lợi, Trung tâm Dự báo KTTV.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Các nhà nghiên cứu và chuyên gia thủy văn: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về mô hình thủy văn thông số phân bố GBHM, giúp nâng cao hiểu biết và phát triển các mô hình dự báo lũ hiện đại.
Cán bộ dự báo khí tượng thủy văn: Tài liệu hướng dẫn chi tiết về ứng dụng mô hình GBHM trong dự báo lũ ngắn hạn, hỗ trợ cải thiện chất lượng dự báo và cảnh báo thiên tai.
Quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai: Cung cấp thông tin khoa học về đặc điểm lưu vực sông Hương, giúp xây dựng các chính sách quản lý, quy hoạch và ứng phó thiên tai hiệu quả.
Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành thủy văn, tài nguyên nước: Là tài liệu tham khảo quý giá cho việc nghiên cứu, học tập về mô hình thủy văn, công nghệ GIS và ứng dụng trong dự báo lũ.
Câu hỏi thường gặp
Mô hình GBHM có ưu điểm gì so với các mô hình thủy văn truyền thống?
GBHM mô phỏng phân bố không gian của các yếu tố thủy văn như mưa, địa hình, đất đai, giúp dự báo lũ chính xác hơn, đặc biệt tại lưu vực có địa hình phức tạp và mưa phân bố không đồng đều. Ví dụ, tại trạm Kim Long, GBHM đạt hệ số Nash-Sutcliffe 0,85, vượt trội so với mô hình tập trung.Dữ liệu đầu vào cho mô hình GBHM gồm những gì?
Bao gồm số liệu mưa, mực nước, bản đồ địa hình số (DEM), bản đồ sử dụng đất, đất đai và các thông tin về mạng lưới sông suối. Dữ liệu được xử lý bằng GIS để tạo dạng lưới phù hợp cho mô hình.Thời gian dự báo lũ ngắn hạn của mô hình GBHM là bao lâu?
Mô hình có khả năng dự báo lũ ngắn hạn với thời gian dự báo từ 6 đến 12 giờ, phù hợp với yêu cầu cảnh báo sớm tại lưu vực sông Hương, giúp giảm thiểu thiệt hại do lũ gây ra.Làm thế nào để hiệu chỉnh tham số mô hình GBHM?
Hiệu chỉnh dựa trên so sánh kết quả mô phỏng với số liệu thực đo tại các trạm thuỷ văn, sử dụng các chỉ tiêu đánh giá như hệ số Nash-Sutcliffe, sai số trung bình tuyệt đối, nhằm tối ưu hóa các tham số mô hình cho phù hợp với điều kiện thực tế.Mô hình GBHM có thể áp dụng cho các lưu vực khác không?
Có, GBHM có tính linh hoạt cao và có thể áp dụng cho các lưu vực có đặc điểm địa hình và khí hậu tương tự, đặc biệt là các lưu vực miền Trung và Tây Nguyên, giúp đa dạng hóa công cụ dự báo lũ.
Kết luận
- Luận văn đã thành công trong việc ứng dụng mô hình thủy văn thông số phân bố GBHM kết hợp GIS để dự báo dòng chảy lũ ngắn hạn tại lưu vực sông Hương, đặc biệt tại trạm Kim Long.
- Mô hình GBHM cho kết quả dự báo lũ có độ chính xác cao, phù hợp với đặc điểm địa hình dốc, mưa phân bố không đồng đều của lưu vực.
- Nghiên cứu đã xây dựng phần mềm tự động hóa nhập liệu và vận hành mô hình, rút ngắn thời gian dự báo, đáp ứng yêu cầu tác nghiệp tại Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương.
- Kết quả nghiên cứu góp phần đa dạng hóa các phương án dự báo lũ, nâng cao hiệu quả công tác phòng chống và giảm nhẹ thiên tai tại Thừa Thiên Huế.
- Đề xuất mở rộng ứng dụng mô hình GBHM cho các lưu vực khác và tăng cường đầu tư dữ liệu, đào tạo cán bộ để phát huy tối đa tiềm năng của mô hình.
Next steps: Triển khai ứng dụng mô hình GBHM trong công tác dự báo lũ tại Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương, đồng thời nghiên cứu mở rộng cho các lưu vực khác trong khu vực.
Call to action: Các cơ quan quản lý, nhà nghiên cứu và cán bộ dự báo thủy văn nên phối hợp triển khai và phát triển mô hình GBHM nhằm nâng cao năng lực dự báo và ứng phó thiên tai hiệu quả hơn.