Tổng quan nghiên cứu

Hồ chứa Khe Tân, nằm tại xã Đại Chánh, huyện Đại Lộc, tỉnh Quảng Nam, là một trong những hồ thủy lợi lớn với diện tích gần 840 ha và dung tích hơn 46 triệu m³ nước. Công trình này không chỉ phục vụ tưới tiêu cho khoảng 3.500 ha đất nông nghiệp mà còn cung cấp nước sinh hoạt và phát triển du lịch sinh thái cho vùng lân cận. Tuy nhiên, hồ có dung tích phòng lũ nhỏ, dẫn đến hiện tượng xả lũ đột ngột khi có mưa lớn, gây ngập lụt nghiêm trọng và nguy cơ vỡ đập, đe dọa an toàn tính mạng và tài sản của hơn 62.800 người dân tại các xã hạ lưu như Đại Chánh, Đại Thạnh, Đại Tân, Đại Thăng.

Nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình thủy lực mô phỏng quá trình xả lũ và vỡ đập hồ Khe Tân, nhằm xác định chính xác lưu lượng xả lũ thiết kế và các kịch bản vỡ đập. Qua đó, luận văn xây dựng bản đồ ngập lụt chi tiết cho các kịch bản khác nhau, tính toán diện tích ngập lụt và đánh giá tác động đến đời sống kinh tế - xã hội vùng hạ lưu. Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, đặc biệt khu vực hạ lưu hồ Khe Tân với các công trình đập chính, đập phụ, tràn xả lũ và các công trình lấy nước.

Mục tiêu nghiên cứu nhằm cung cấp cơ sở khoa học tin cậy cho công tác quy hoạch, quản lý hồ chứa và phòng chống thiên tai, góp phần giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt và sự cố vỡ đập trong bối cảnh biến đổi khí hậu làm gia tăng tính bất thường của các hiện tượng thủy văn.

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 - thủy lực hiện đại để mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy và tính toán ngập lụt:

  • Mô hình HEC-HMS: Mô hình thủy văn tập trung dùng để mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy trên lưu vực, bao gồm các thành phần như tổn thất mưa, đường đơn vị, dòng chảy ngầm và diễn toán dòng chảy. Mô hình này được lựa chọn do phù hợp với nguồn dữ liệu sẵn có và khả năng mô phỏng lũ trên lưu vực lớn.

  • Mô hình HEC-RAS: Mô hình thủy lực một chiều dùng để mô phỏng dòng chảy trên mạng sông và hồ chứa, tính toán mực nước, lưu lượng và xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu. Mô hình này hỗ trợ phân tích các kịch bản xả lũ và vỡ đập.

  • Mô hình MIKE NAM: Mô hình cân bằng nước và dòng chảy mặt được sử dụng để tính toán biên nhập lưu và lượng lũ đến hồ chứa, giúp hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy văn.

  • Phương pháp GIS và Viễn thám: Ứng dụng trong xây dựng bản đồ ngập lụt, tính toán diện tích ngập và phân tích không gian ảnh hưởng của các kịch bản xả lũ và vỡ đập.

Các khái niệm chính bao gồm: lưu lượng đỉnh lũ, dung tích phòng lũ, kịch bản vỡ đập, bản đồ ngập lụt, dòng chảy ngầm, tổn thất mưa, và mô hình đường đơn vị.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng số liệu khí tượng, thủy văn từ 19 trạm đo mưa và 8 trạm thủy văn trong lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, bao gồm các số liệu mưa ngày, mưa giờ, lưu lượng và mực nước từ các năm 2007, 2009 làm cơ sở hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.

  • Phương pháp phân tích: Áp dụng phương pháp thống kê xử lý số liệu khí tượng thủy văn, phân tích đặc điểm địa hình, địa chất và khí hậu vùng nghiên cứu. Sử dụng mô hình toán học HEC-HMS để mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy, mô hình HEC-RAS để mô phỏng thủy lực và xây dựng bản đồ ngập lụt.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu diễn ra từ việc thu thập và xử lý số liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình với các trận lũ thực tế (năm 2007, 2009), đến việc xây dựng các kịch bản vỡ đập và tính toán ngập lụt hạ lưu.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Dữ liệu được lấy từ các trạm khí tượng thủy văn đại diện cho vùng nghiên cứu, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy cao. Việc lựa chọn mô hình dựa trên khả năng phù hợp với dữ liệu và yêu cầu nghiên cứu.

  • Phương pháp kế thừa: Tham khảo và kế thừa kết quả nghiên cứu trước đây về vỡ đập và mô hình thủy văn tại Việt Nam và quốc tế để đảm bảo tính chính xác và phù hợp với điều kiện thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy văn: Mô hình HEC-HMS được hiệu chỉnh với trận lũ năm 2007 và kiểm định với trận lũ năm 2009 cho kết quả phù hợp với số liệu thực đo, sai số lưu lượng đỉnh dưới 10%, thể hiện độ tin cậy cao trong mô phỏng dòng chảy lưu vực.

  2. Xác định lưu lượng xả lũ thiết kế và các kịch bản vỡ đập: Lưu lượng xả lũ thiết kế qua tràn hồ Khe Tân đạt khoảng 825 m³/s. Các kịch bản vỡ đập được xây dựng dựa trên các nguyên nhân vỡ đập phổ biến, với lưu lượng xả đỉnh có thể tăng lên gấp 2-3 lần so với lưu lượng thiết kế, gây ra ngập lụt diện rộng.

  3. Bản đồ ngập lụt và diện tích ngập: Qua mô hình thủy lực HEC-RAS kết hợp GIS, diện tích ngập lụt hạ lưu hồ Khe Tân trong kịch bản xả lũ thiết kế khoảng 840 ha, trong khi các kịch bản vỡ đập có thể gây ngập từ 1.200 đến 1.500 ha, ảnh hưởng trực tiếp đến các xã Đại Chánh, Đại Thạnh, Đại Tân và Đại Thăng với tỷ lệ dân cư bị ảnh hưởng tăng từ 30% lên đến 70%.

  4. Ảnh hưởng đến đời sống và kinh tế vùng hạ lưu: Ngập lụt do xả lũ và vỡ đập gây thiệt hại nghiêm trọng về sản xuất nông nghiệp, nhà cửa và cơ sở hạ tầng, đe dọa an toàn tính mạng của hàng ngàn người dân. Các kịch bản vỡ đập đặc biệt nguy hiểm trong mùa mưa lớn, khi mực nước hồ đạt cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến nguy cơ vỡ đập Khe Tân bao gồm đặc điểm địa chất phức tạp, lớp đất đắp không đồng nhất, hiện tượng nứt nẻ và rò rỉ nước đã được ghi nhận từ năm 2012. So với các nghiên cứu về vỡ đập trên thế giới như đập Bản Kiều (Trung Quốc) hay đập Gleno (Italia), các nguyên nhân tương tự như sai sót trong thiết kế, thi công và quản lý chất lượng vật liệu cũng được xác định.

Việc sử dụng mô hình HEC-HMS và HEC-RAS cho phép mô phỏng chính xác quá trình dòng chảy và ngập lụt, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về cảnh báo vỡ đập. Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ lưu lượng dòng chảy theo thời gian và bản đồ ngập lụt chi tiết, giúp các nhà quản lý dễ dàng đánh giá mức độ rủi ro.

So với các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam, luận văn đã bổ sung các kịch bản vỡ đập cụ thể cho hồ Khe Tân, đồng thời ứng dụng công nghệ GIS để phân tích không gian ảnh hưởng, nâng cao tính thực tiễn và khả năng ứng dụng trong công tác phòng chống thiên tai.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát và bảo trì đập Khe Tân: Thực hiện kiểm tra định kỳ, đặc biệt tại các vị trí có dấu hiệu nứt nẻ và rò rỉ, nhằm phát hiện sớm nguy cơ vỡ đập. Thời gian thực hiện: hàng quý; Chủ thể: Ban quản lý hồ chứa và cơ quan chuyên môn.

  2. Xây dựng hệ thống cảnh báo sớm ngập lụt và vỡ đập: Áp dụng công nghệ cảm biến và mô hình dự báo thủy văn để cảnh báo kịp thời cho người dân vùng hạ lưu. Mục tiêu giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản; Thời gian triển khai: 1-2 năm; Chủ thể: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, chính quyền địa phương.

  3. Hoàn thiện quy hoạch sử dụng đất vùng hạ lưu: Hạn chế xây dựng và phát triển các khu dân cư, công trình quan trọng trong vùng có nguy cơ ngập lụt cao theo bản đồ ngập lụt đã xây dựng. Thời gian: 3-5 năm; Chủ thể: UBND tỉnh Quảng Nam, các sở ngành liên quan.

  4. Tổ chức tập huấn và nâng cao nhận thức cộng đồng: Tuyên truyền về nguy cơ vỡ đập, kỹ năng ứng phó khi xảy ra sự cố, nhằm nâng cao khả năng tự bảo vệ của người dân. Thời gian: liên tục hàng năm; Chủ thể: Ban chỉ huy phòng chống thiên tai, các tổ chức xã hội.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách thủy lợi: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các kế hoạch quản lý hồ chứa, phòng chống thiên tai hiệu quả, giảm thiểu rủi ro vỡ đập.

  2. Chuyên gia và kỹ sư thủy lợi, thủy văn: Áp dụng mô hình và phương pháp nghiên cứu để thiết kế, vận hành và bảo trì các công trình thủy lợi tương tự, nâng cao độ chính xác trong dự báo lũ và ngập lụt.

  3. Cơ quan phòng chống thiên tai và cứu hộ cứu nạn: Dựa trên bản đồ ngập lụt và kịch bản vỡ đập để xây dựng phương án ứng phó, tổ chức diễn tập và triển khai các biện pháp cứu trợ kịp thời.

  4. Cộng đồng dân cư vùng hạ lưu hồ Khe Tân và các vùng tương tự: Nâng cao nhận thức về nguy cơ ngập lụt và vỡ đập, chuẩn bị các biện pháp phòng tránh và ứng phó phù hợp nhằm bảo vệ tính mạng và tài sản.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao hồ Khe Tân có nguy cơ vỡ đập cao?
    Nguy cơ vỡ đập xuất phát từ đặc điểm địa chất phức tạp, lớp đất đắp không đồng nhất, các vết nứt và lỗ rò rỉ đã được phát hiện từ năm 2012, cùng với hiện tượng xả lũ đột ngột do dung tích phòng lũ nhỏ.

  2. Mô hình HEC-HMS và HEC-RAS có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    HEC-HMS mô phỏng chính xác quá trình mưa - dòng chảy trên lưu vực, còn HEC-RAS mô phỏng thủy lực dòng chảy và xây dựng bản đồ ngập lụt chi tiết, giúp đánh giá tác động của các kịch bản xả lũ và vỡ đập một cách toàn diện.

  3. Diện tích ngập lụt khi vỡ đập lớn hơn xả lũ thiết kế bao nhiêu?
    Diện tích ngập lụt trong kịch bản vỡ đập có thể tăng từ khoảng 840 ha (xả lũ thiết kế) lên đến 1.200 - 1.500 ha, ảnh hưởng sâu rộng đến các xã hạ lưu và tăng tỷ lệ dân cư bị ảnh hưởng lên đến 70%.

  4. Các biện pháp phòng chống vỡ đập được đề xuất là gì?
    Bao gồm tăng cường giám sát, xây dựng hệ thống cảnh báo sớm, hoàn thiện quy hoạch sử dụng đất vùng hạ lưu, và tổ chức tập huấn nâng cao nhận thức cộng đồng nhằm giảm thiểu thiệt hại khi xảy ra sự cố.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các hồ chứa khác không?
    Có, phương pháp mô hình hóa và phân tích kịch bản vỡ đập cùng xây dựng bản đồ ngập lụt có thể áp dụng cho các hồ chứa tương tự, đặc biệt ở các vùng có đặc điểm địa hình và khí hậu phức tạp như miền Trung Việt Nam.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình thủy lực mô phỏng quá trình xả lũ và vỡ đập hồ Khe Tân, cho phép xác định lưu lượng xả và diện tích ngập lụt chi tiết cho nhiều kịch bản.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy nguy cơ ngập lụt và thiệt hại do vỡ đập là rất lớn, đòi hỏi các biện pháp quản lý và phòng chống hiệu quả.
  • Các kịch bản vỡ đập được xây dựng dựa trên phân tích nguyên nhân thực tế và mô phỏng thủy lực, cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quy hoạch và ứng phó thiên tai.
  • Ứng dụng GIS trong xây dựng bản đồ ngập lụt giúp minh bạch hóa phạm vi ảnh hưởng, hỗ trợ công tác quản lý và truyền thông đến cộng đồng.
  • Đề xuất các giải pháp cụ thể về giám sát, cảnh báo, quy hoạch và nâng cao nhận thức cộng đồng nhằm giảm thiểu rủi ro và thiệt hại do ngập lụt và vỡ đập.

Tiếp theo, cần triển khai thực hiện các giải pháp đề xuất, đồng thời cập nhật và hiệu chỉnh mô hình theo dữ liệu mới để nâng cao độ chính xác và hiệu quả quản lý hồ chứa. Các cơ quan quản lý và cộng đồng dân cư được khuyến khích phối hợp chặt chẽ trong công tác phòng chống thiên tai.

Hành động ngay hôm nay để bảo vệ an toàn cho vùng hạ lưu hồ Khe Tân và phát triển bền vững khu vực!