Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Cả là một trong những hệ thống sông lớn nhất miền Trung Việt Nam với tổng diện tích tự nhiên đạt 27.200 km2, trong đó phần diện tích thuộc lãnh thổ Việt Nam chiếm 65,2% tương đương 17.730 km2 và phần thuộc Lào chiếm 34,8% tương đương 9.470 km2. Khu vực hạ lưu sông Cả thuộc địa phận hai tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh sở hữu vùng đồng bằng trũng thấp rộng khoảng 350.000 ha, là trung tâm kinh tế - xã hội quan trọng với dân số trên 2,94 triệu người và mật độ dân cư tập trung tại vùng đồng bằng lên tới 678 người/km2, cao gấp 8,7 lần khu vực miền núi.

Tuy nhiên, đây cũng là trọng điểm thiên tai lũ lụt khốc liệt nhất khu vực Bắc Trung Bộ. Điển hình như trận lũ lịch sử năm 1978 với lưu lượng đỉnh lũ tại trạm Yên Thượng đạt 13.000 m3/s, lượng mưa ngày lớn nhất tại Đô Lương đạt 788 mm/ngày; hay trận lũ năm 2010 với lượng mưa đợt vượt 1.225 mm tại Hà Tĩnh đã gây ngập úng trên diện rộng, làm gián đoạn toàn bộ hoạt động sản xuất và đời sống dân sinh. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là giải quyết sự suy giảm khả năng thoát lũ do tác động kép từ biến đổi khí hậu toàn cầu và áp lực gia tăng mật độ xây dựng hạ tầng, chuyển đổi mục đích sử dụng đất tại đồng bằng hạ du.

Mục tiêu cụ thể của công trình là xây dựng bản đồ ngập lụt chi tiết cho các trận lũ điển hình và các kịch bản biến đổi khí hậu nồng độ khí nhà kính trung bình thấp (RCP4.5), kịch bản nồng độ cao (RCP8.5); đồng thời định lượng hóa bộ chỉ số tính dễ bị tổn thương (Vulnerability Index) cấp xã và ứng dụng mô hình Delft-FIAT để lượng hóa rủi ro thiệt hại kinh tế. Phạm vi nghiên cứu không gian bao gồm các huyện Đô Lương, Thanh Chương, Nam Đàn, Nghi Lộc, Hưng Nguyên, thị xã Cửa Lò và thành phố Vinh, dựa trên chuỗi số liệu khí tượng thủy văn giai đoạn từ năm 1954 đến năm 2016. Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu là cung cấp cơ sở dữ liệu số hóa chuẩn xác, hỗ trợ giảm thiểu ước tính từ 20% đến 30% thiệt hại kinh tế tiềm năng và hỗ trợ 100% các xã trọng điểm chủ động xây dựng phương án phòng chống thiên tai cấp cơ sở.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng khung lý thuyết đánh giá tính dễ bị tổn thương của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC), quan niệm tính dễ bị tổn thương do lũ lụt là hàm số tổng hợp của ba thành phần cốt lõi: Độ phơi bày (Exposure - E), Độ nhạy (Sensitivity - S) và Khả năng thích ứng hay chống chịu (Adaptive Capacity - AC). Ngoài ra, tác giả kế thừa mô hình lý thuyết của Viện Giảm thiểu Thiên tai (DRI), lý thuyết của Turner và cộng sự (2003) cùng mô hình toán học của Metzger và cộng sự (2006), Villagrán de León (2006).

Các khái niệm chính được chuẩn hóa trong luận văn bao gồm:

  1. Độ phơi bày (E): Phản ánh sự hiện diện của con người, sinh kế, các nhóm đất và tài sản vật chất tại những vị trí địa lý chịu tác động trực tiếp của ngập lụt.
  2. Độ nhạy cảm (S): Mức độ mà một hệ thống tự nhiên - xã hội bị ảnh hưởng tiêu cực hoặc biến đổi khi chịu tác động của ngập lụt, quy định bởi các yếu tố nhân khẩu, sinh kế và kết cấu hạ tầng.
  3. Khả năng thích ứng (AC): Năng lực tự điều chỉnh, huy động nguồn lực, kinh nghiệm phòng chống và phục hồi của cộng đồng nhằm giảm thiểu các thiệt hại tiềm tàng.
  4. Rủi ro lũ lụt (Risk): Sản phẩm ngẫu nhiên kết hợp giữa hiểm họa ngập lụt, độ phơi bày và tính dễ bị tổn thương kinh tế - xã hội.

Chỉ số tổn thương tổng hợp được xác lập theo công thức tuyến tính có trọng số: Vj = Ej * wE + Sj * wS - Aj * wA, trong đó các trọng số được xác định thông qua phương pháp phân tích thứ bậc và lấy ý kiến chuyên gia.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp đa dạng các nguồn dữ liệu sơ cấp và thứ cấp:

  • Dữ liệu khí tượng thủy văn được thu thập liên tục từ 24 trạm đo mưa và 15 trạm thủy văn trên toàn lưu vực (gồm 7 trạm cấp I như Dừa, Yên Thượng, Hòa Duyệt, Sơn Diệm và 8 trạm cấp III).
  • Dữ liệu địa hình sử dụng mô hình số độ cao (DEM) độ phân giải cao kết hợp mặt cắt thực đo lòng dẫn sông chính.
  • Dữ liệu kinh tế - xã hội được trích xuất từ Niên giám thống kê giai đoạn 2012-2016 của các huyện, kết hợp dữ liệu điều tra xã hội học với cỡ mẫu 350 phiếu khảo sát hộ gia đình và cán bộ quản lý tại các xã trọng điểm ngập lụt. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng (stratified random sampling) được áp dụng để đảm bảo tính đại diện cho các nhóm thu nhập, nghề nghiệp và vùng địa hình trũng thấp ven đê.

Phương pháp phân tích mô hình hóa thủy lực liên kết MIKE FLOOD (kết hợp MIKE NAM mô phỏng mưa - dòng chảy, MIKE 11 mô phỏng thủy lực một chiều 1D mạng sông chính theo sơ đồ 6 điểm ẩn Abbott, và MIKE 21 FM mô phỏng thủy động lực học hai chiều 2D vùng tràn bãi trên lưới phi cấu trúc) được lựa chọn. Lý do lựa chọn bộ công cụ này là khả năng mô tả chính xác tương tác phức tạp giữa dòng chảy lòng chính và các bãi tràn đồng bằng ven biển có đê điều bao bọc, khắc phục triệt để hạn chế của mô hình 1D truyền thống. Chỉ số hiệu quả Nash-Sutcliffe đạt trên 0,86 trong quá trình hiệu chỉnh và kiểm định độc lập cho thấy mô hình đạt độ tin cậy rất cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả mô phỏng ngập lụt theo kịch bản cực đoan (tần suất lũ 1% kết hợp kịch bản biến đổi khí hậu RCP8.5 và nước biển dâng) cho thấy tổng diện tích ngập lụt hạ lưu tăng hơn 25% so với trận lũ lịch sử năm 1978. Độ sâu ngập tại các vùng trũng thấp thuộc huyện Nam Đàn, Hưng Nguyên và Thanh Chương dao động từ 2,0 m đến 3,5 m; thời gian ngập sâu duy trì liên tục từ 10 đến 15 ngày, vận tốc dòng chảy qua các phân lưu đạt từ 1,5 m/s đến 2,5 m/s.

Thứ hai, phân tích độ phơi bày (E) ghi nhận sự phân hóa không gian sâu sắc. Tại thành phố Vinh và thị xã Cửa Lò, mặc dù độ sâu ngập trung bình chỉ từ 0,5 m đến 1,2 m nhưng chỉ số phơi bày tài sản kinh tế chiếm tới trên 40% toàn vùng do mật độ công trình và cơ sở hạ tầng dày đặc. Ngược lại, huyện Nam Đàn và Hưng Nguyên có diện tích đất nông nghiệp bị ngập chiếm hơn 65% tổng diện tích canh tác toàn huyện.

Thứ ba, việc tổng hợp 28 biến độ nhạy (S) và 13 biến khả năng thích ứng (AC) chỉ ra rằng chỉ số nhạy cảm cao nhất tập trung tại các xã ngoài đê với tỷ lệ hộ nghèo trên 8,5% và tỷ lệ người già, trẻ em chiếm trên 32% dân số. Trong khi đó, khả năng thích ứng tại chỗ của người dân chỉ đạt mức trung bình, với khoảng 35% hộ gia đình được trang bị phương tiện cứu sinh đạt chuẩn và kinh nghiệm chống lũ chủ yếu mang tính bị động.

Thứ tư, kết quả đánh giá bằng mô hình Delft-FIAT lượng hóa mức độ rủi ro thiệt hại kinh tế cho thấy nông nghiệp là khu vực chịu tổn thương lớn nhất, chiếm hơn 58% tổng giá trị thiệt hại vật chất trong các trận lũ chu kỳ lặp lại 10 năm và 20 năm, tiếp theo là hệ thống nhà ở dân cư kiên cố thấp (chiếm khoảng 24%).

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tình trạng ngập sâu kéo dài tại hạ lưu sông Cả là sự trùng pha giữa các đợt mưa lớn diện rộng trên 500-800 mm do hoàn lưu bão kết hợp không khí lạnh tăng cường với triều cường cửa sông Lam tại Cửa Hội, tạo ra hiện tượng nước dềnh cản trở thoát lũ tự nhiên. Thêm vào đó, hệ thống đê điều khép kín một số khu vực vô tình tạo thành các ô trũng kín khi nước tràn qua đỉnh đê.

So sánh với các nghiên cứu trước đây tại miền Trung như nghiên cứu của Đặng Đình Khá (2011) trên sông Thạch Hãn hay các đề tài cấp Nhà nước của PGS. Nguyễn Thanh Sơn, kết quả của luận văn đã nâng cao độ chi tiết không gian khi tính toán chỉ số tổn thương ở cấp độ xã thay vì cấp huyện, đồng thời liên kết chặt chẽ giữa đặc tính thủy lực 2D với 41 biến số kinh tế - xã hội cụ thể.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua hệ thống bản đồ số chuyên đề GIS phân chia 5 cấp độ tổn thương (Rất thấp, Thấp, Trung bình, Cao, Rất cao), các bảng ma trận thống kê tương quan giữa độ sâu ngập và tỷ lệ suy giảm GDP cấp xã, cùng biểu đồ phân bố không gian thiệt hại nông nghiệp tính theo đơn vị nghìn USD trên từng ô lưới tính toán.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp và hiện đại hóa mạng lưới quan trắc, dự báo cảnh báo sớm thiên tai: Lắp đặt bổ sung các trạm đo mưa tự động tại lưu vực thượng nguồn và ứng dụng mô hình dự báo thủy văn thời gian thực. Target metric: Nâng thời gian dự báo trước lũ lên từ 24 đến 48 giờ với độ chính xác đạt trên 90% cho toàn bộ 100% các xã ven sông. Timeline: Giai đoạn 2024 - 2026. Chủ thể thực hiện: Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Bắc Trung Bộ chủ trì, phối hợp với Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh.

  2. Gia cố hệ thống công trình kiểm soát lũ và quy hoạch không gian thoát lũ hạ du: Nâng cấp 45 km tuyến đê sông xung yếu tại Nam Đàn, Hưng Nguyên và Thanh Chương; xây dựng mới các cống tiêu thoát lũ dưới đê kết hợp nạo vét khơi thông luồng lạch cửa sông Cửa Hội. Target metric: Đảm bảo an toàn công trình trước đỉnh lũ tần suất 5% và triều cường dâng 0,5 m. Timeline: Giai đoạn 2025 - 2030. Chủ thể thực hiện: Chi cục Đê điều và Phòng chống lụt bão, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn hai tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh.

  3. Điều chỉnh cơ cấu mùa vụ và chuyển đổi sinh kế nông nghiệp thích ứng: Chuyển đổi lịch thời vụ gieo cấy lúa Hè Thu thu hoạch dứt điểm trước ngày 05 tháng 9 hàng năm; quy hoạch hơn 5.000 ha vùng đất thấp trũng sang mô hình luân canh lúa - thủy sản nước ngọt thích ứng ngập lụt. Target metric: Giảm thiểu ít nhất 35% thiệt hại kinh tế mùa vụ nông nghiệp hàng năm. Timeline: Thực hiện thường xuyên giai đoạn 2024 - 2028. Chủ thể thực hiện: Phòng Nông nghiệp các huyện Nam Đàn, Thanh Chương, Hưng Nguyên cùng các Hợp tác xã Nông nghiệp địa phương.

  4. Tăng cường năng lực phòng ngừa và trang thiết bị cứu hộ cứu nạn tại cộng đồng: Tổ chức các khóa tập huấn kỹ năng quản lý rủi ro thiên tai dựa vào cộng đồng và cung cấp trang thiết bị cứu sinh cho lực lượng xung kích cấp cơ sở. Target metric: Đạt 100% cán bộ thôn xã và tối thiểu 80% người dân vùng ngập sâu được trang bị kiến thức ứng phó, đảm bảo 100% đội xung kích xã có xuồng máy cứu hộ trước mùa mưa bão. Timeline: Hoàn thành trước quý 3 hàng năm. Chủ thể thực hiện: Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn các cấp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách phòng chống thiên tai: Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn các tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh. Lợi ích: Khai thác bản đồ nguy cơ ngập lụt và bản đồ phân vùng tính dễ bị tổn thương để xây dựng phương án phòng thủ dân sự, phân bổ nguồn lực cứu trợ và lập kế hoạch di dời dân cư vùng nguy cơ cao.
  • Các nhà quy hoạch đô thị, giao thông và phát triển hạ tầng nông thôn: Sở Xây dựng, Viện Quy hoạch Kiến trúc địa phương. Lợi ích: Ứng dụng các kịch bản ngập lụt 2D để xác định cốt xây dựng an toàn cho các khu đô thị mới tại thành phố Vinh mở rộng, thị xã Cửa Lò và thiết kế khẩu độ thoát nước cho các công trình giao thông trọng điểm.
  • Các nhà nghiên cứu khoa học, giảng viên và học viên cao học: Thuộc các chuyên ngành Biến đổi khí hậu, Khí tượng Thủy văn, Quản lý tài nguyên nước, Hệ thống thông tin địa lý (GIS). Lợi ích: Tiếp cận quy trình phương pháp luận chuẩn hóa về tích hợp bộ mô hình MIKE FLOOD với mô hình kinh tế Delft-FIAT và quy trình tính toán chỉ số tổn thương đa tiêu chí.
  • Các tổ chức phi chính phủ và định chế tài chính quốc tế (UNDP, WB, ADB): Các ban quản lý dự án tài trợ thích ứng khí hậu. Lợi ích: Cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng phục vụ thiết kế các dự án viện trợ sinh kế bền vững, xây dựng nhà ở an toàn chống bão lũ và tăng cường năng lực ứng phó thiên tai cho các cộng đồng dễ bị tổn thương tại Bắc Trung Bộ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Điểm cải tiến nổi bật nhất trong phương pháp đánh giá tính dễ bị tổn thương của luận văn là gì? Luận văn đã tích hợp thành công mô hình thủy lực hai chiều MIKE FLOOD với bộ chỉ số đa tiêu chí gồm 41 biến số bao quát toàn diện các khía cạnh tự nhiên, dân sinh, sinh kế và cơ sở hạ tầng. Phương pháp này lượng hóa chính xác chỉ số tổn thương đến từng xã, khắc phục triệt để hạn chế của các phương pháp đánh giá định tính đơn lẻ trước đây.

  2. Tại sao khu vực huyện Nam Đàn và Hưng Nguyên lại có chỉ số tổn thương do lũ cao nhất? Hai địa phương này sở hữu địa hình lòng chảo thấp trũng với cao trình phổ biến dưới 2,0 m, lại chịu tác động trực tiếp của lũ sông Lam và nước dềnh sông La. Thêm vào đó, tỷ lệ lao động thuần nông chiếm trên 65% và nguồn lực chống chịu tại chỗ còn hạn chế, dẫn đến độ nhạy cảm cao và khả năng phục hồi chậm khi ngập sâu kéo dài.

  3. Mô hình thủy lực MIKE FLOOD được kiểm định với độ tin cậy như thế nào? Mô hình được hiệu chỉnh dựa trên số liệu thực tế của trận lũ tháng 10 năm 2010 và kiểm định độc lập với trận lũ tháng 9 năm 2011 tại các trạm thủy văn Nam Đàn, Chợ Tràng và Yên Thượng. Kết quả so sánh giữa đường quá trình mực nước tính toán và thực đo đạt chỉ số Nash-Sutcliffe trên 0,86, sai số đỉnh lũ dưới 0,15 m, bảo đảm độ chính xác tối ưu.

  4. Tác động của biến đổi khí hậu theo kịch bản RCP8.5 làm thay đổi chế độ ngập lụt ra sao? Theo kịch bản RCP8.5 kết hợp triều cường cực đại, lượng mưa lớn nhất gia tăng khoảng 15% đến 20%, khiến mực nước lũ hạ lưu dâng cao thêm từ 0,35 m đến 0,55 m. Diện tích ngập úng trên toàn vùng hạ lưu mở rộng thêm hơn 18.000 ha so với hiện trạng, làm tăng đáng kể độ phơi bày của các khu dân cư ven sông.

  5. Công cụ Delft-FIAT đóng góp vai trò gì trong việc hỗ trợ ra quyết định quản lý rủi ro? Delft-FIAT liên kết bản đồ độ sâu ngập lụt với các đường cong hàm thiệt hại cho từng loại tài sản, nhà ở và mùa màng. Mô hình lượng hóa rủi ro thành thiệt hại kinh tế cụ thể bằng tiền tệ trên không gian, giúp các cấp chính quyền xác định chính xác khu vực ưu tiên đầu tư ngân sách phòng chống thiên tai hiệu quả nhất.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết lập thành công chuỗi mô hình thủy văn - thủy lực liên kết MIKE NAM, MIKE 11 và MIKE 21 FM thông qua công cụ MIKE FLOOD để mô phỏng chính xác trường ngập lụt vùng hạ lưu sông Cả theo các kịch bản lũ thiết kế và biến đổi khí hậu.
  • Xây dựng hoàn chỉnh bộ chỉ số định lượng tính dễ bị tổn thương gồm 41 biến số thành phần, phản ánh khách quan ba khía cạnh: Độ phơi bày (E), Độ nhạy cảm (S) và Khả năng thích ứng (AC) cho 100% các xã thuộc vùng nghiên cứu.
  • Phân vùng và định vị chuẩn xác các trọng điểm tổn thương cao nhất tập trung tại các huyện đồng bằng trũng thấp Nam Đàn, Hưng Nguyên và Thanh Chương với chỉ số tổn thương tổng hợp vượt ngưỡng 0,72 trên thang điểm 1,0.
  • Ứng dụng mô hình kinh tế Delft-FIAT lượng hóa thiệt hại vật chất không gian, chỉ ra ngành nông nghiệp chịu tổn thất lớn nhất với tỷ trọng vượt trên 58% tổng giá trị thiệt hại toàn vùng.
  • Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp công trình và phi công trình đồng bộ, khả thi, gắn liền với các mốc thời gian và chủ thể thực hiện rõ ràng.

Đóng góp khoa học cốt lõi của luận văn là hoàn thiện khung phương pháp luận liên ngành kết hợp thủy lực hiện đại, công nghệ thông tin địa lý và kinh tế - xã hội học trong đánh giá rủi ro ngập lụt lưu vực sông.

Kế hoạch phát triển tiếp theo bao gồm việc số hóa toàn bộ bản đồ lên nền tảng WebGIS trực tuyến và cập nhật các kịch bản phát thải mới nhất trong giai đoạn 2024 - 2026.

Các nhà hoạch định chính sách, cơ quan quản lý đê điều và chính quyền địa phương cần khẩn trương tích hợp cơ sở dữ liệu của công trình này vào kế hoạch phát triển kinh tế - xã hội và quy hoạch phòng chống thiên tai cấp tỉnh nhằm hướng tới mục tiêu phát triển bền vững và chủ động thích ứng với biến đổi khí hậu.