Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Thủy văn học (mã số 62 44 02 24) của nghiên cứu sinh Dương Quốc Huy, thực hiện tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam năm 2018 dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Tùng Phong và PGS.TS. Ngô Lê Long, tập trung vào đề tài "Nghiên cứu mưa, lũ cực hạn lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn".
Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng thiên tai mưa lũ khốc liệt tại khu vực miền Trung Việt Nam, nơi lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn được xem là một "rốn lũ" trọng điểm. Mặc dù hệ thống hồ chứa thượng nguồn giữ vai trò quan trọng trong việc cắt giảm đỉnh lũ cho hạ du, các công trình này đồng thời tiềm ẩn rủi ro mất an toàn và nguy cơ vỡ đập khi xuất hiện các trận lũ vượt tần suất thiết kế. Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các sự cố công trình hồ đập bắt nguồn từ việc tính toán thủy văn thiết kế dựa trên chuỗi số liệu quan trắc ngắn, thiếu vắng tài liệu lũ lịch sử, hoặc phải áp dụng công thức kinh nghiệm và mượn tham số từ các lưu vực lân cận. Nhiều công trình thực tế đã ghi nhận đỉnh lũ vượt xa tính toán thiết kế ban đầu; điển hình như hồ Núi Cốc (Thái Nguyên) có lưu lượng thiết kế $Q_{1%} = 1.640\text{ m}^3/\text{s}$, nhưng sau trận lũ năm 1978 kết quả tính lại đã lên tới $3.030\text{ m}^3/\text{s}$ (vượt 1,85 lần), hay sau trận lũ năm 1999 các hồ Đồng Nghệ, Hòa Trung, Phước Hà tại miền Trung có mực nước lũ thực tế vượt mực nước thiết kế từ 1,46 m đến 2,36 m. Tiêu chuẩn thiết kế hiện hành chủ yếu dựa trên quy mô công trình mà chưa xét đầy đủ đặc thù hạ du đập và lý thuyết lũ cực hạn.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai nội dung:
- Đánh giá các ưu, nhược điểm của các phương pháp tính toán mưa cực hạn (PMP) tại Việt Nam hiện nay, từ đó lựa chọn phương pháp và hệ số $K_{PMP}$ để xác định mưa cực hạn phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới của Việt Nam.
- Tính toán lượng mưa cực hạn (PMP) và lũ cực hạn (PMF) cho lưu vực Vu Gia - Thu Bồn, đề xuất phương pháp xác định nhanh giá trị PMF tại các hồ chứa, từ đó đưa ra khuyến nghị đối với công tác an toàn hồ đập trước PMF.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hiện tượng mưa lớn, lũ lớn và mưa cực hạn (PMP), lũ cực hạn (PMF) trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn.
- Phạm vi không gian: Toàn bộ lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn trong tọa độ địa lý từ 14°90’ đến 16°20’ vĩ độ Bắc và 107°20’ đến 108°70’ kinh độ Đông, bao gồm phần diện tích tập trung nước về Cửa Hàn (sông Vu Gia) và Cửa Đại (sông Thu Bồn), trải rộng trên địa bàn tỉnh Quảng Nam, thành phố Đà Nẵng và một phần tỉnh Kon Tum, bao gồm tương tác thủy văn - thủy lực giữa thượng lưu và hạ lưu.
- Phạm vi thời gian: Chuỗi số liệu khí tượng thủy văn quan trắc giai đoạn 1976–2012 (riêng trạm Đà Nẵng từ năm 1961), kết hợp dữ liệu viễn thám mưa vệ tinh NASA từ năm 1998 đến thời điểm nghiên cứu.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tổng quan tài liệu trong luận án phân tích có hệ thống các công trình nghiên cứu về mưa cực hạn (PMP) và lũ cực hạn (PMF) trên thế giới và tại Việt Nam:
Các nghiên cứu quốc tế về PMP và PMF:
- Nghiên cứu PMP khởi nguồn từ thập niên 1920 tại Thung lũng Miami, bang Ohio (Mỹ) thông qua việc phân tích quan hệ thời đoạn – diện tích – lượng mưa. Đến thập niên 1940, các phân tích khối khí của Myers (1967) chỉ ra giới hạn mưa phụ thuộc vào độ ẩm khối không khí, tốc độ gió mang ẩm và lượng hơi nước sẵn có.
- Miller và Cục Khí tượng Quốc gia Mỹ (1963) đặt nền móng cho phương pháp cực đại hóa bằng cách ước tính độ ẩm bão hòa bề mặt ở mực áp suất 1.000 hPa và nhiệt độ điểm sương 12 giờ liên tục lớn nhất.
- Schreiner và Riedel (1978) kết hợp phương pháp cực đại hóa và chuyển vị để lập bản đồ đẳng trị PMP cho vùng phía Đông kinh tuyến 105° của Mỹ cho các thời đoạn từ 6 đến 72 giờ trên diện tích từ 26 đến 51.800 $\text{km}^2$.
- Nhằm khắc phục hạn chế của phương pháp cực đại hóa tại vùng địa hình phức tạp (USWB, 1961), Miller và cộng sự (1973), Hansen và cộng sự (1987) đã phát triển phương pháp độc lập hóa cơn bão cho vùng đồi núi.
- Hershfield (1961, 1965) đề xuất phương pháp thống kê $X_{PMP} = \bar{X}_n + K_m \cdot S_n$ dựa trên phân tích hơn 95.000 số liệu tại 2.645 trạm đo mưa (90% ở Mỹ), trong đó hệ số tần suất $K_m$ ban đầu lấy bằng 15, sau đó được điều chỉnh dao động từ 5 đến 20 tùy thuộc thời đoạn mưa và lượng mưa trung bình ngày lớn nhất $\bar{X}_n$.
- Zhan và cộng sự (1983) tổng kết kỹ thuật tính PMP tại Trung Quốc dựa trên cực đại hóa vật lý kết hợp chuyển vị không gian – thời gian và lập biểu đồ PMP 24 giờ điểm.
- Rezacova và cộng sự (2005) áp dụng thống kê kết hợp radar tại Cộng hòa Séc; Carmen Casas và cộng sự (2010) tính PMP tại Barcelona; Mohammad Gheidari và cộng sự (2011) ứng dụng mô hình đa fractal (multi-fractal) cho hồ Bakhtiari (Iran); Fernando và cộng sự (2011) tính PMP cho 7 trạm tại Sri Lanka qua cực đại hóa ẩm và gió; C. Collier và cộng sự (1996) ứng dụng mô hình bão đối lưu tại Anh; Nobilis và cộng sự (1991) đánh giá phương pháp Hershfield tại vùng núi Alpine (Áo).
- Koutsoyiannis (1999), Papalexiou và Koutsoyiannis (2006), Ohara và cộng sự (2011), Ishida và cộng sự (2015) phân tích các bất định phi tuyến trong phương pháp cực đại hóa ẩm truyền thống và đề xuất mô hình số khí hậu vùng.
- Về chuyển đổi từ PMP sang PMF, hướng dẫn của Cục Công binh Hoa Kỳ (USACE, 1996) chuẩn hóa việc sử dụng mô hình mưa – dòng chảy với điều kiện biên bất lợi nhất (tổn thất thấm cực tiểu, thời gian tập trung dòng chảy ngắn nhất).
Các nghiên cứu tại Việt Nam:
- Lê Đình Thành (1996, 2004) áp dụng phương pháp cực đại hóa tính PMP cho các hệ thống sông Hồng – Thái Bình, sông Đà, Lô, Tả Trạch, Đắk Bla và dùng mô hình Nash kết hợp Muskingum tính lũ PMF, chỉ ra tỷ số $Q_{PMF} = 0,61 - 1,71 , Q_{0,01%}$.
- Đỗ Cao Đàm và Vũ Kiên Trung (2005) nghiên cứu tính toán PMP và lũ vượt thiết kế theo phương pháp thống kê trong đề tài cấp Bộ.
- Nguyễn Văn Lai và cộng sự (2009) tính PMP cho thủy điện Trung Sơn bằng phương pháp thống kê và tổng quát hóa kết hợp mô hình HEC-HMS.
- Phạm Việt Tiến (2007) tính PMP cho hồ Tả Trạch bằng phương pháp Hershfield và tính PMF bằng công thức kinh nghiệm Xocolopxki.
- Ngô Đình Tuấn, Nguyễn Quang Trung thực hiện tính toán lũ kiểm tra và lũ PMF cho các công trình thủy điện Hòa Bình, Sơn La.
| Lưu vực |
Diện tích ($\text{km}^2$) |
$Q_{0,01%}$ ($\text{m}^3/\text{s}$) |
$Q_{PMF}$ ($\text{m}^3/\text{s}$) |
Tỷ số $Q_{PMF} / Q_{0,01%}$ |
| Lai Châu |
33.800 |
32.600 |
41.200 |
1,21 |
| Tạ Bú |
45.900 |
43.200 |
61.000 |
1,14 |
| Hòa Bình |
51.800 |
49.000 |
63.000 |
1,18 |
| Hàm Yên |
11.900 |
14.000 |
23.900 |
1,71 |
| Chiêm Hóa |
16.500 |
13.730 |
26.500 |
1,93 |
| Bản Chát |
1.929 |
11.000 |
22.420 |
- |
| Kon Tum |
2.968 |
11.200 |
12.800 |
1,14 |
| Tà Pao |
2.012 |
13.700 |
8.330 |
- |
Khoảng trống nghiên cứu được luận án nhận diện: Các nghiên cứu PMP và PMF tại Việt Nam phụ thuộc nhiều vào tính chủ quan của người tính toán khi chọn trận mưa điển hình và tra hệ số tần suất, trong khi chuỗi quan trắc ngắn và địa hình chia cắt mạnh làm sai lệch kết quả. Lưu vực Vu Gia - Thu Bồn là nơi tập trung dày đặc các bậc thang thủy điện lớn nhưng chưa có nghiên cứu đồng bộ xác định PMP, PMF và đánh giá tác động ngập lụt tổng thể vùng hạ du.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án vận dụng các khái niệm chuẩn tắc về thủy văn:
- Khái niệm lũ theo Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO, 2012) và phân loại lũ theo Quyết định số 46/2014/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ (gồm lũ nhỏ, lũ vừa, lũ lớn, lũ đặc biệt lớn, lũ lịch sử, lũ bất thường).
- Mưa cực hạn (PMP) theo định nghĩa của WMO (1986): lượng nước mưa lớn nhất về mặt lý thuyết có khả năng xảy ra trên một khu vực lãnh thổ xác định trong một khoảng thời gian nhất định trong năm.
- Lũ cực hạn (PMF): trận lũ lớn nhất về mặt lý thuyết được sinh ra bởi tổ hợp các điều kiện khí tượng thủy văn bất lợi nhất trên một lưu vực cụ thể.
Sáu phương pháp tính PMP được xem xét gồm: (1) Phương pháp suy luận (sử dụng mô hình mưa đối lưu $i = \frac{P_a}{P_w} \cdot \frac{V_1 \cdot q_v}{D}$ theo Chow, 1988 và mô hình mưa địa hình dựa trên quá trình giảm nhiệt đoạn nhiệt); (2) Phương pháp cực đại hóa ẩm và gió; (3) Phương pháp tổng quát hóa; (4) Phương pháp chuyển vị; (5) Phương pháp kết hợp; (6) Phương pháp thống kê (Hershfield).
Các phương pháp thực tế và công cụ định lượng được triển khai:
- Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa: Thu thập, đo đạc bổ sung số liệu địa hình lòng dẫn, cao độ vết lũ lịch sử, hiện trạng 5 đập dâng và các công trình hạ tầng hạ du.
- Phương pháp phân tích thống kê: Phân tích tần suất chuỗi số liệu mưa, dòng chảy; thiết lập đường cong quan hệ Cường độ - Thời đoạn - Tần suất mưa (IDF) bằng công thức Chow: $X_p = \bar{X} + k_p \cdot S_n$; đường cong Tổng lượng - Diện tích - Thời đoạn mưa (DAD); đường cong Tổng lượng - Thời đoạn - Tần suất lũ (VDF); đường cong Mực nước - Thời đoạn - Tần suất lũ (HDF); phân tích dạng phân phối mưa tam giác (32 trận mưa tại 4 trạm) xác định độ lệch đỉnh $r = T_p / T_b$ theo mômen bậc 1; phân tích xác suất chuỗi hệ số $K_m$ theo các hàm phân bố Gamma, Weibull, Log-normal, GEV.
- Phương pháp mô hình toán thủy văn - thủy lực kết hợp GIS:
- Mô hình HEC-HMS: Mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy trên các tiểu lưu vực phân bố theo các đơn vị thủy văn (HRU) để tính toán lưu lượng lũ PMF.
- Mô hình MIKE 11: Mô phỏng thủy lực dòng chảy 1 chiều cho hệ thống mạng lưới sông hạ du Vu Gia - Thu Bồn.
- Mô hình MIKE 21 và MIKE FLOOD: Mô phỏng thủy lực 2 chiều ngập lụt đồng bằng hạ lưu, kết nối động 1D-2D để xác định phạm vi ngập, độ sâu ngập và trường vận tốc dòng chảy lũ.
- Nguồn tư liệu và dữ liệu:
- Số liệu khí tượng thủy văn tại 18 trạm trên lưu vực trong giai đoạn 1976–2012 (trong đó thượng nguồn có 3 trạm: Hiên, Khâm Đức, Trà Mi).
- Dữ liệu viễn thám mưa vệ tinh NASA (từ năm 1998) của 6 trận mưa lũ lớn (tháng 11/1998, 11/1999, 12/1999, 11/2007, 10/2008, 09/2009).
- Dữ liệu hồ chứa: 72 hồ thủy lợi, 42 dự án thủy điện (theo Báo cáo số 157/BC-UBND tỉnh Quảng Nam và Quy trình vận hành liên hồ theo Quyết định số 1537/QĐ-TTg).
- Dữ liệu hiệu chỉnh và kiểm định mô hình từ 3 trận lũ thực đo: trận lũ 01–08/11/1999 (hiệu chỉnh), trận lũ 10–16/11/2007 (kiểm định) và trận lũ 28/9–02/10/2009 (kiểm định).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu về mưa, lũ cực hạn trên thế giới và trong nước
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận, tổng quan lịch sử nghiên cứu PMP, PMF quốc tế và trong nước, đồng thời phân tích chi tiết các đặc điểm tự nhiên và kinh tế - xã hội của lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn:
-
Phân chia lưu vực và đặc điểm hành chính: Lưu vực có tổng diện tích tự nhiên nằm trong phạm vi nghiên cứu, bao gồm 6 tiểu lưu vực thủy lực: Nông Sơn, Thành Mỹ, Sông Bung, Sông Côn, Hạ Lưu và Đồng Bằng. Về mặt hành chính, lưu vực trải trên 3 tỉnh/thành phố:
- Tỉnh Quảng Nam: $8.950\text{ km}^2$ (chiếm 84,5% diện tích tự nhiên của tỉnh).
- Thành phố Đà Nẵng: $425\text{ km}^2$ (chiếm 43,9% diện tích thành phố).
- Tỉnh Kon Tum: $525\text{ km}^2$ (chiếm 5,1% diện tích tỉnh).
-
Đặc điểm địa hình:
- Cao độ: $6.299\text{ km}^2$ (64% diện tích lưu vực) có cao độ trên +300 m, tập trung ở các tiểu lưu vực Sông Bung, Thành Mỹ, Nông Sơn; $2.902\text{ km}^2$ (23% diện tích) có cao độ từ +10 m đến +300 m; vùng đồng bằng có cao độ dưới +10 m chiếm $699\text{ km}^2$. Trong đó, khu vực đồng bằng có $342\text{ km}^2$ cao độ dưới +4 m, $182\text{ km}^2$ từ +4 m đến +6 m, $110\text{ km}^2$ từ +6 m đến +8 m, và $80\text{ km}^2$ từ +8 m đến +10 m. Vùng đồng bằng mang cấu trúc hình lòng chảo, bao quanh bởi địa hình cao, gây trở ngại cho việc thoát lũ.
- Độ dốc: $6.565\text{ km}^2$ (66% diện tích) có độ dốc trên 20%. Tỷ lệ diện tích có độ dốc trên 20% tại các tiểu lưu vực lần lượt là: Sông Bung (80%), Thành Mỹ (79,2%), Sông Côn (73%), Nông Sơn (67,2%). Vùng đồng bằng có 73,1% diện tích độ dốc dưới 2%.
-
Đặc trưng mạng lưới sông chính:
| Tên sông |
Chiều dài sông (km) |
Độ dốc lòng sông (%) |
| Đăk Mi |
110,0 |
0,71 |
| Sông Cái |
48,9 |
1,44 |
| Vu Gia |
77,1 |
0,02 |
| Sông Bung |
104,5 |
0,54 |
| Sông Côn 1 |
36,6 |
0,85 |
| Sông Tranh |
116,7 |
0,32 |
| Sông Khang |
39,7 |
0,14 |
| Thu Bồn |
61,3 |
0,02 |
- Kết cấu hạ tầng và dân sinh hạ du:
- Dân số năm 2014 là 2.235.000 người (mật độ 217,7 người/$\text{km}^2$), trong đó 70,4% (1.634.000 người) sinh sống tập trung ở vùng đồng bằng; hơn 70% trong tổng số 100.775 ngôi nhà là nhà cấp bốn.
- Hồ chứa thủy lợi và thủy điện: Có 72 hồ chứa thủy lợi (11 hồ vừa có tổng dung tích hữu ích 133,36 triệu $\text{m}^3$, dung tích phòng lũ 41,44 triệu $\text{m}^3$); 42 dự án thủy điện được quy hoạch (10 dự án lớn do Bộ Công Thương phê duyệt, 32 dự án vừa và nhỏ không có dung tích phòng lũ). Dung tích phòng lũ của các hồ thủy điện lớn theo Quyết định số 1537/QĐ-TTg là 146,44 triệu $\text{m}^3$, chỉ chiếm gần 2,7% tổng lượng lũ 5 ngày tần suất 10% tại Ái Nghĩa và Giao Thủy.
- Đập dâng hạ du: Có 5 đập dâng lớn gồm An Trạch, Bầu Nít, Hà Thanh, Thanh Quýt, Duy Thành với tổng số 35 cửa điều tiết. Tại mực nước thiết kế (độ sâu trung bình 5,9 m), diện tích mặt cắt ướt qua đập giảm từ $1.869\text{ m}^2$ xuống $1.173\text{ m}^2$; tại mức báo động III (độ sâu 7,9 m), mặt cắt ướt giảm từ $2.131\text{ m}^2$ xuống $1.066\text{ m}^2$ (giảm khoảng 50%), làm co hẹp dòng thoát lũ.
- Giao thông: Hệ thống gồm 686 cầu qua sông, 4.957 km đường bộ, 75 km đường sắt; nhiều đoạn quốc lộ 1A, tỉnh lộ 607, 608, 609 đóng vai trò như đê ngăn làm dâng cao mực nước lũ phía thượng lưu tuyến đường.
| Tên đập dâng |
Mực nước thiết kế (m) |
Cao trình đáy cống (m) |
Số cửa điều tiết |
Kích thước cửa $B \times H$ (m) |
| An Trạch |
+2,0 |
-2,00 |
12 |
$4,00 \times 4,50$ |
| Bầu Nít |
+2,0 |
-2,00 |
6 |
$4,20 \times 3,80$ |
| Hà Thanh |
+2,0 |
+0,56 |
7 |
$2,35 \times 1,85$ |
| Thanh Quýt |
+2,0 |
-0,50 |
6 |
$3,80 \times 2,50$ |
| Duy Thành |
+1,1 |
-1,10 |
4 |
$20,00 \times 2,20$ |
| Tổng cộng |
- |
- |
35 |
- |
Chương 2: Cơ sở khoa học và thực tiễn phương pháp tính mưa, lũ cực hạn
Chương 2 trình bày kết quả phân tích thống kê chuyên sâu về các đặc trưng khí tượng thủy văn và cơ sở lựa chọn mô hình:
-
Phân bố lượng mưa năm: Lượng mưa trung bình nhiều năm (1976–2012) dao động từ 2.000 đến 4.000 mm. Mùa mưa (tháng IX–XII) chiếm 70% lượng mưa năm; riêng hai tháng X và XI chiếm 40–50%. Vùng đón gió sườn Đông Trường Sơn (Khâm Đức, Trà Mi) có lượng mưa năm gấp 1,5–2,0 lần vùng đồng bằng (Đà Nẵng, Hội An).
-
Quan hệ Cường độ - Thời đoạn - Tần suất mưa (IDF):
- Cường độ mưa 1 ngày ứng với tần suất 1% tại các trạm đều vượt 500 mm/ngày.
- Phân bố Bắc – Nam: Lượng mưa 1 ngày tần suất 1% tăng từ Bắc vào Nam (Hiên: 509 mm/ngày; Đà Nẵng: 540 mm/ngày; Trà Mi: 561 mm/ngày; Hội An: 620 mm/ngày).
- Phân bố Đông – Tây: Vùng đồng bằng sát biển có lượng mưa lớn hơn vùng núi (ở tần suất 5% mưa 1 ngày: Đà Nẵng đạt 413 mm/ngày, Hội An đạt 432 mm/ngày, trạm Hiên đạt 399 mm/ngày).
- Chênh lệch cường độ mưa 1 ngày và 3 ngày ở tần suất 1% phía Đông Nam lớn hơn phía Tây Bắc (Đà Nẵng: 275 mm; Hội An: 268 mm; Trà Mi: 220 mm; Hiên: 153 mm), cho thấy mức độ tập trung mưa thời đoạn ngắn rất cao tại vùng ven biển phía Nam.
-
Quan hệ Tổng lượng - Diện tích - Thời đoạn mưa (DAD): Phân tích 6 trận mưa lũ lớn từ ảnh vệ tinh NASA xác định mức triết giảm lượng mưa trên diện tích 10.000 $\text{km}^2$ so với tâm mưa đối với thời đoạn 24 giờ là 23% và thời đoạn 48 giờ là 14%.
-
Phân phối mưa trong một trận mưa (biểu đồ tam giác): Phân tích 32 trận mưa tại 4 trạm xác định thời đoạn mưa trung bình $T_b \approx 3$ ngày (Hội An đạt 4 ngày), lượng mưa trận trung bình $S = 377 - 539\text{ mm}$, hệ số độ lệch đỉnh $r = T_p / T_b$ trung bình dao động từ 0,42 đến 0,59, thể hiện tâm mưa tập trung ở giữa thời đoạn.
| Trạm quan trắc |
Thời đoạn $T_b$ (ngày) Min / TB / Max |
Tổng lượng mưa $S$ (mm) Min / TB / Max |
Hệ số lệch đỉnh $r$ Min / TB / Max |
| Hiên |
2 / 3 / 4 |
167 / 429 / 1.310 |
0,22 / 0,42 / 0,66 |
| Đà Nẵng |
2 / 3 / 5 |
190 / 377 / 904 |
0,38 / 0,59 / 0,78 |
| Hội An |
3 / 4 / 4 |
233 / 539 / 1.205 |
0,35 / 0,52 / 0,64 |
| Trà My |
2 / 3 / 7 |
198 / 537 / 1.163 |
0,27 / 0,50 / 0,75 |
- Đặc điểm dòng chảy lũ (VDF và HDF):
- Đường cong VDF: Sự gia tăng lượng lũ tích lũy lớn nhất tập trung trong 12 giờ đầu. Khả năng sinh lũ thượng nguồn Thu Bồn (Nông Sơn) lớn hơn Vu Gia (Thành Mỹ); ở thời đoạn 5 ngày, tổng lượng lũ trên $1\text{ km}^2$ của Thu Bồn đạt 1,0 triệu $\text{m}^3$, trong khi Vu Gia là 0,8 triệu $\text{m}^3$.
- Đường cong HDF: Mực nước duy trì trên báo động III tại trạm Ái Nghĩa kéo dài từ 60 giờ (tần suất 10%) đến trên 120 giờ (tần suất 1%), lớn hơn thời gian duy trì tại trạm Câu Lâu (từ 48 đến 96 giờ).
Chương 3: Tính mưa, lũ cực hạn cho lưu vực Vu Gia-Thu Bồn
Chương 3 triển khai tính toán thực tế PMP, thiết lập mô hình tính PMF và mô phỏng ngập lụt hạ du:
-
Tính toán lượng mưa cực hạn (PMP):
- Phương pháp thống kê: Phân tích xác suất chuỗi hệ số $K_m$ theo các phân phối lý thuyết (Gamma, Weibull, Log-normal, GEV), tính toán PMP tại các trạm quan trắc.
- Phương pháp cực đại hóa: Dựa trên trận mưa lịch sử tháng 11/1999, tính toán hệ số hiệu chỉnh lượng ẩm ($K_{hc}$) qua nhiệt độ điểm sương 12 giờ liên tục lớn nhất và tốc độ gió. Luận án lựa chọn kết quả từ phương pháp cực đại hóa làm biên đầu vào tính toán thủy văn.
-
Thiết lập và kiểm định mô hình mô phỏng lũ:
- Thiết lập mô hình HEC-HMS trên các tiểu lưu vực chia nhỏ thành các đơn vị thủy văn HRU; thiết lập mạng lưới sông hạ du trong MIKE 11 và địa hình ngập lụt 2D trong MIKE 21/MIKE FLOOD.
- Kết quả hiệu chỉnh với trận lũ 01–08/11/1999 và kiểm định với các trận lũ 10–16/11/2007, 28/9–02/10/2009 tại các trạm Thành Mỹ, Nông Sơn, Ái Nghĩa, Câu Lâu, Hội An, Cẩm Lệ cho thấy đường quá trình lưu lượng và mực nước mô phỏng phù hợp chặt chẽ với thực đo và cao độ vết lũ lịch sử.
-
Tính toán lũ cực hạn (PMF) và xác định quan hệ với lũ thiết kế:
- Tính toán lưu lượng đỉnh lũ PMF tại cửa ra các tiểu lưu vực và tại tuyến công trình các hồ chứa thủy điện lớn trên lưu vực.
- Đánh giá sự suy giảm mô đun đỉnh lũ $M_{PMF}$ theo diện tích lưu vực hồ chứa.
- Xây dựng đường cong quan hệ và hệ số hiệu chỉnh $K_{hc}$ giữa lưu lượng PMF và lưu lượng đỉnh lũ thiết kế tần suất ($Q_{1%}, Q_{0,1%}, Q_{0,01%}$), thiết lập phương pháp tính nhanh đỉnh lũ PMF tại các hồ chứa.
-
Mô phỏng ngập lụt hạ du và đề xuất giải pháp:
- Mô phỏng ngập lụt với lũ PMF cho thấy diện tích ngập sâu và phạm vi ảnh hưởng vượt trội so với kịch bản lũ tần suất $P = 0,01%$. Bản đồ ngập lụt xác định các vùng trũng ngập sâu, phân bố vận tốc dòng chảy lũ lớn gây xói lở.
- Đề xuất các giải pháp quản lý lũ PMF và lũ lớn: quản lý dung tích phòng lũ liên hồ, nâng cấp năng lực thoát lũ qua các đập dâng và cầu đường giao thông, quy hoạch không gian thoát lũ hạ du.
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới sau:
-
Đóng góp về lý luận và phương pháp:
- Đánh giá toàn diện các ưu nhược điểm của các phương pháp tính toán PMP hiện hành trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa của Việt Nam; đề xuất phương pháp luận và lựa chọn hệ số $K_{PMP}$ thích hợp cho lưu vực có mạng lưới quan trắc thưa và chuỗi số liệu ngắn.
- Xây dựng phương pháp tính nhanh giá trị lưu lượng đỉnh lũ cực hạn (PMF) tại các tuyến công trình hồ chứa dựa trên tương quan với lưu lượng thiết kế tần suất và diện tích lưu vực, phục vụ kiểm tra nhanh an toàn hồ đập.
-
Đóng góp về thực tiễn:
- Xác định được bộ số liệu PMP và PMF tại các trạm quan trắc, cửa ra các tiểu lưu vực và các vị trí hồ chứa thủy lợi, thủy điện trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn.
- Xây dựng bản đồ ngập lụt chi tiết và phân bố vận tốc dòng chảy lũ hạ du ứng với kịch bản lũ cực hạn PMF và lũ tần suất 0,01%, cung cấp luận cứ khoa học cho công tác quy hoạch phòng chống thiên tai.
-
Giải pháp và kiến nghị:
- Đề xuất quy trình kiểm tra an toàn hồ đập bắt buộc bằng tiêu chuẩn lũ PMF đối với các hồ chứa thủy điện, thủy lợi lớn có nguy cơ đe dọa hạ du.
- Kiến nghị vận hành liên hồ chứa theo hướng điều tiết chủ động, linh hoạt dung tích phòng lũ trước các đợt mưa lớn cực đoan.
- Khuyến nghị giải pháp công trình tại hạ du: nâng cấp, mở rộng khẩu độ thoát lũ của các công trình giao thông (cầu, cống); cải tạo quy trình vận hành mở hoàn toàn các cửa van 5 đập dâng trong mùa lũ để phục hồi 50% diện tích mặt cắt thoát lũ bị co hẹp.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Căn cứ vào nội dung và phạm vi nghiên cứu được tác giả trình bày, luận án ghi nhận một số hạn chế và định hướng nghiên cứu tiếp theo:
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị ứng dụng đối với nhiều nhóm đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Thủy văn học, Kỹ thuật tài nguyên nước, Quản lý tài nguyên nước và Môi trường: Tham khảo phương pháp luận phân tích thống kê thủy văn (IDF, DAD, VDF, HDF), lý thuyết mưa lũ cực hạn và quy trình tích hợp mô hình thủy văn - thủy lực (HEC-HMS, MIKE 11, MIKE 21, MIKE FLOOD).
- Các đơn vị tư vấn thiết kế, quản lý và vận hành hồ chứa thủy lợi, thủy điện: Sử dụng kết quả tính PMP, PMF và phương pháp tính nhanh đỉnh lũ PMF để rà soát, kiểm tra an toàn đập, tính toán mở rộng tràn xả lũ sự cố nhằm phòng ngừa rủi ro vỡ đập.
- Cơ quan quản lý nhà nước và Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai tỉnh Quảng Nam, thành phố Đà Nẵng: Sử dụng bản đồ ngập lụt lũ PMF, phân tích mức độ co hẹp dòng chảy của đập dâng và cầu đường để quy hoạch không gian thoát lũ, điều chỉnh quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn.
Câu hỏi thường gặp
1. Mưa cực hạn (PMP) và lũ cực hạn (PMF) được định nghĩa và có ý nghĩa kỹ thuật như thế nào trong luận án?
Theo WMO (1986), PMP là lượng nước mưa lớn nhất về mặt lý thuyết có thể xảy ra trên một khu vực trong khoảng thời gian xác định. PMF là trận lũ lớn nhất về mặt lý thuyết được sinh ra bởi tổ hợp các điều kiện khí tượng thủy văn bất lợi nhất. Trong luận án, PMF được sử dụng làm tiêu chuẩn kiểm tra an toàn công trình hồ chứa nhằm phòng ngừa nguy cơ tràn đỉnh đập và vỡ đập trong các tình huống thời tiết cực đoan.
2. Lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn có đặc điểm địa hình và mưa lũ nào khiến khu vực này trở thành "rốn lũ"?
Lưu vực có 64% diện tích cao trên 300 m và 66% diện tích có độ dốc trên 20%, sông ngắn và dốc ở thượng lưu (0,14–1,44%), khiến thời gian tập trung lũ rất nhanh. Vùng đồng bằng hạ lưu rộng $699\text{ km}^2$ có địa hình dạng lòng chảo thấp trũng ($342\text{ km}^2$ có cao độ dưới 4 m). Lượng mưa năm lớn (2.000–4.000 mm), tập trung 70% vào mùa mưa; cường độ mưa 1 ngày tần suất 1% đều vượt 500 mm/ngày.
3. Sự hiện diện của 5 đập dâng ở hạ lưu ảnh hưởng như thế nào đến khả năng thoát lũ?
Năm đập dâng (An Trạch, Bầu Nít, Hà Thanh, Thanh Quýt, Duy Thành) với tổng số 35 cửa điều tiết gây co hẹp mặt cắt lòng dẫn trong mùa lũ. Tại mực nước thiết kế (sâu trung bình 5,9 m), tổng diện tích mặt cắt ướt qua đập giảm từ $1.869\text{ m}^2$ xuống $1.173\text{ m}^2$; tại mực nước báo động III ở Câu Lâu (sâu 7,9 m), mặt cắt ướt giảm từ $2.131\text{ m}^2$ xuống $1.066\text{ m}^2$, tương ứng mức suy giảm khoảng 50% khả năng thoát nước tự nhiên.
4. Chuỗi mô hình toán nào được sử dụng để tính toán chuyển đổi từ mưa PMP sang dòng chảy lũ PMF và ngập lụt?
Luận án sử dụng mô hình mưa - dòng chảy HEC-HMS (phân chia các đơn vị thủy văn HRU) để tính toán lưu lượng lũ PMF từ mưa PMP trên các tiểu lưu vực; kết nối với mô hình thủy lực 1D MIKE 11 cho mạng lưới sông chính và mô hình 2D MIKE 21 / MIKE FLOOD để mô phỏng ngập lụt và trường vận tốc dòng chảy vùng đồng bằng.
5. Luận án đã hiệu chỉnh và kiểm định các mô hình thủy văn - thủy lực bằng những trận lũ thực đo nào?
Mô hình được hiệu chỉnh với số liệu thực đo trận lũ lịch sử từ ngày 01 đến 08/11/1999; sau đó được kiểm định độc lập với hai trận lũ lớn từ ngày 10 đến 16/11/2007 và từ ngày 28/9 đến 02/10/2009 tại các trạm thủy văn Thành Mỹ, Nông Sơn, Ái Nghĩa, Câu Lâu, Hội An, Cẩm Lệ kết hợp so sánh với cao độ vết lũ thực tế.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Dương Quốc Huy đã giải quyết vấn đề xác định mưa cực hạn (PMP) và lũ cực hạn (PMF) cho lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn trên cơ sở kết hợp phương pháp cực đại hóa khí tượng và chuỗi mô hình toán HEC-HMS, MIKE 11, MIKE 21/MIKE FLOOD. Công trình đã làm rõ đặc trưng thủy văn cực đoan, mức độ co hẹp dòng thoát lũ của các đập dâng hạ du và cung cấp bản đồ ngập lụt chi tiết ứng với kịch bản PMF. Đồng thời, luận án đề xuất phương pháp tính nhanh đỉnh lũ PMF tại các tuyến đập, đóng góp cơ sở khoa học phục vụ công tác rà soát an toàn hồ chứa và quản lý rủi ro thiên tai tại khu vực miền Trung.
