Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Ba là hệ thống thủy văn có quy mô lớn nhất vùng duyên hải miền Trung Việt Nam với diện tích tự nhiên đạt 13.508 km2 và chiều dài dòng chính xấp xỉ 388 km. Mạng lưới sông ngòi của lưu vực trải rộng trên địa giới hành chính của 20 huyện thị thuộc 4 tỉnh Tây Nguyên và Duyên hải Nam Trung Bộ, trong đó phần thượng lưu và trung lưu thuộc tỉnh Gia Lai giữ vai trò xung yếu đối với toàn bộ tiến trình thủy văn. Khu vực này sở hữu cấu trúc địa hình lòng máng đồi núi phức tạp chiếm tới 62% diện tích tự nhiên, độ cao biến động mạnh mẽ từ 600 m đến trên 2.000 m. Do chịu tác động đồng thời của các hình thế thời tiết cực đoan như bão nhiệt đới, dải hội tụ và không khí lạnh tăng cường, chế độ mưa lũ tại Gia Lai diễn biến vô cùng khốc liệt. Các trận lũ lịch sử vào các năm 1993, 2009 và 2013 đã gây ngập lụt sâu trên diện rộng, tàn phá nghiêm trọng hạ tầng giao thông, nông nghiệp và uy hiếp tính mạng của hàng vạn hộ dân.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá chuyên sâu quy luật phân bố mưa và dòng chảy lũ giai đoạn 2001 - 2015, đồng thời làm chủ quy trình ứng dụng công nghệ viễn thám quang học đa thời gian kết hợp hệ thống thông tin địa lý (GIS). Luận văn tập trung giải đoán chuỗi ảnh vệ tinh Landsat nhằm khoanh vùng không gian ngập lụt và thiết lập cơ sở dữ liệu số hóa phục vụ công tác theo dõi, nhận dạng và cảnh báo sớm lũ lụt cho 10 huyện thị thuộc tỉnh Gia Lai. Kết quả nghiên cứu đem lại ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp nâng cao năng lực cảnh báo sớm từ 24 đến 72 giờ, hỗ trợ tối ưu hóa quy trình điều tiết của 198 hồ chứa và giảm thiểu rủi ro thiên tai cho cộng đồng dân cư.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết viễn thám quang phổ phản xạ bề mặt và lý thuyết thủy văn dòng chảy mặt đệm lưu vực sông. Trong vật lý viễn thám, các đối tượng tự nhiên như nước, đất trống và thảm thực vật có đặc trưng phản xạ và hấp thụ bức xạ điện từ hoàn toàn khác biệt trên các dải sóng ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại gần và hồng ngoại sóng ngắn. Luận văn ứng dụng 5 khái niệm chuyên ngành nền tảng bao gồm: Chỉ số thực vật tăng cường (EVI), Chỉ số nước bề mặt lớp phủ (LSWI), Chỉ số sai khác thực vật - nước (DVEL), Suất phản xạ bề mặt (Albedo) và Mô hình độ cao số (DEM) với độ phân giải không gian 30 m.

Mô hình nghiên cứu kế thừa khung tích hợp Geoinformatics hiện đại, liên kết hữu cơ 4 mô-đun chức năng: viễn thám vệ tinh, hệ thống thông tin địa lý, mô hình toán mô phỏng dòng chảy và cơ sở dữ liệu thuộc tính. Bằng cách thiết lập tương quan logic giữa chỉ số độ ẩm LSWI và chỉ số sinh khối EVI, mô hình cho phép phân tách chính xác giữa vùng ngập lũ tạm thời với các mặt nước thường xuyên trên quy mô lưu vực rộng 13.508 km2.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm chuỗi tư liệu ảnh vệ tinh Landsat 5 TM, Landsat 7 ETM+ và Landsat 8 OLI được thu thập từ Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, tương ứng với 9 trận lũ điển hình xảy ra vào các năm 1991, 1992, 1996, 1999, 2001, 2007, 2009, 2011 và 2013. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 45 cảnh ảnh vệ tinh chất lượng cao được xử lý đồng bộ cùng chuỗi số liệu quan trắc mưa và thủy văn thực đo liên tục tại 12 trạm trong giai đoạn 1960 - 2015.

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm trích xuất các cảnh ảnh chụp sát thời điểm đỉnh lũ, kết hợp thuật toán xử lý mây nhằm đảm bảo độ che phủ mây thực tế dưới 20%. Về phương pháp phân tích, tác giả kết hợp kỹ thuật giải đoán quang phổ ảnh vệ tinh đa thời gian và các công cụ phân tích không gian chồng xếp lớp bản đồ trên nền tảng phần mềm ArcGIS. Việc lựa chọn tổ hợp phương pháp này xuất phát từ khả năng bao quát toàn diện không gian lưu vực của ảnh Landsat với độ phân giải 30 m, giúp tái hiện chính xác diễn biến ngập lụt trong lịch sử với chi phí tiết kiệm hơn 70% so với phương pháp đo trắc địa truyền thống trên địa hình đồi núi chia cắt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, lượng mưa và dòng chảy lũ trên lưu vực sông Ba có sự phân hóa không gian vô cùng sâu sắc. Lượng mưa bình quân năm dao động từ 1.400 mm tại các thung lũng trung lưu như An Khê đến trên 2.200 mm tại các sườn đón gió thuộc dãy Trường Sơn. Trong các đợt mưa lớn cực đoan, lượng mưa ngày đo được tại nhiều trạm đã vượt ngưỡng 350 mm đến 548 mm, làm cường suất lũ dâng cao nhanh chóng từ 15 đến 30 cm mỗi giờ trên dòng chính.

Thứ hai, kết quả bóc tách chuỗi ảnh vệ tinh Landsat qua 9 năm lũ điển hình đã định lượng chi tiết quy mô diện tích ngập lụt. Vùng ngập úng trọng điểm tập trung tại dải thung lũng trũng An Khê - Phú Túc và dọc lưu vực sông nhánh IaYun, nơi đóng góp tới 17,5% tổng lượng dòng chảy toàn lưu vực. Diện tích ngập biến thiên mạnh từ 12.500 ha trong trận lũ năm 1991 lên tới đỉnh điểm hơn 48.000 ha trong trận lũ năm 2009, tương ứng mức mở rộng không gian ngập lụt lên đến 284%.

Thứ ba, không gian ngập lụt chịu sự chi phối mạnh mẽ của thảm phủ rừng diện tích 871.407 ha (độ che phủ đạt 51,6%) và chế độ điều tiết của hệ thống 198 hồ chứa với tổng dung tích 1.560,2 triệu m3. Khi các hồ chứa lớn như Ayun Hạ và sông Ba Hạ tích đầy nước và phải xả lũ khẩn cấp, mức độ ngập lụt tại các vùng hạ du gia tăng từ 25% đến 40% so với điều kiện dòng chảy tự nhiên.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi gây ra ngập lụt nghiêm trọng tại Gia Lai là do địa hình lòng máng dốc với 62% diện tích đồi núi bao quanh, khiến nước lũ tập trung cấp tập về các thung lũng hẹp. Khi so sánh với các nghiên cứu thủy lực truyền thống tại đồng bằng sông Cửu Long hay lưu vực sông Hồng, phương pháp viễn thám kết hợp GIS tại sông Ba chứng minh tính ưu việt vượt trội trong việc theo dõi các khu vực miền núi hiểm trở có mật độ trạm đo thưa thớt.

Các kết quả nghiên cứu được minh họa trực quan thông qua biểu đồ tương quan giữa mực nước thực đo tại trạm An Khê với diện tích ngập lụt, đi kèm bảng tổng hợp mức độ tổn thương của 10 đơn vị hành chính cấp huyện. Việc tích hợp dữ liệu viễn thám lên mô hình số hóa độ cao 3D trong GIS giúp các nhà quản lý nhận diện chính xác các điểm nghẽn thoát lũ, tạo bước đột phá trong việc xây dựng phương án phòng chống ngập lụt theo từng kịch bản mực nước thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, xây dựng và đưa vào vận hành hệ thống WebGIS cảnh báo sớm ngập lụt tự động: Ứng dụng các thuật toán giải đoán ảnh viễn thám thời gian thực từ vệ tinh Landsat và Sentinel nhằm tự động thành lập bản đồ ngập lụt dự báo trước 48 đến 72 giờ, bảo đảm độ chính xác không gian đạt trên 85%. Đề xuất hoàn thành trong giai đoạn 2026 - 2028 do Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Tây Nguyên chủ trì phối hợp cùng Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Gia Lai.

Thứ hai, hiện đại hóa và tự động hóa mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn: Lắp đặt bổ sung 25 trạm đo mưa tự động và 6 trạm quan trắc mực nước tại các tiểu lưu vực xung yếu như IaPiHao, Đắk Pô Kô và IaYun nhằm truyền số liệu liên tục với tần suất 10 phút một lần về trung tâm dữ liệu. Dự án cần được triển khai trong giai đoạn 2026 - 2027 dưới sự quản lý của Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Gia Lai.

Thứ ba, hoàn thiện quy chế vận hành liên hồ chứa cho 198 công trình thủy lợi, thủy điện: Thiết lập quy trình vận hành xả lũ đón lũ linh hoạt, tăng dung tích phòng lũ chủ động thêm 15% đến 20% trong các tháng cao điểm từ tháng 10 đến tháng 12 hàng năm, giúp cắt giảm ít nhất 20% đỉnh lũ cho hạ du. Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn tỉnh Gia Lai cần phối hợp với các chủ hồ đập áp dụng ngay từ mùa mưa lũ năm 2026.

Thứ tư, đẩy mạnh công tác khoanh nuôi, bảo vệ và phục hồi rừng phòng hộ đầu nguồn: Quản lý nghiêm ngặt 871.407 ha rừng hiện có, phấn đấu nâng tỷ lệ che phủ rừng toàn lưu vực từ mức 51,6% lên 55% vào năm 2030 tại các huyện vùng cao như K'bang và Mang Yang, nhằm giảm 15% hệ số dòng chảy mặt do Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Gia Lai thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các nhà hoạch định chính sách và cơ quan quản lý nhà nước về thiên tai, tiêu biểu như Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Gia Lai. Luận văn cung cấp bản đồ phân vùng rủi ro ngập lụt chi tiết cho 10 huyện thị, hỗ trợ xây dựng kịch bản di dời dân cư trước 24 đến 48 giờ khi mực nước vượt mức báo động III.

Nhóm thứ hai là các đơn vị quản lý và vận hành công trình hồ đập thủy điện, thủy lợi. Nghiên cứu mang đến cơ sở khoa học để tối ưu hóa quy trình xả lũ cho 198 hồ chứa với tổng dung tích 1.560,2 triệu m3, giúp giảm thiểu nguy cơ ngập lụt nhân tạo cho vùng hạ lưu từ 20% đến 30%.

Nhóm thứ ba là đội ngũ giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học thuộc các ngành Thủy văn học, Viễn thám và GIS. Luận văn đóng vai trò như một tài liệu hướng dẫn chuẩn mực về kỹ thuật xử lý chuỗi ảnh Landsat đa thời gian, tích hợp các chỉ số EVI và LSWI trên các lưu vực sông có diện tích trên 13.000 km2.

Nhóm thứ tư là các tổ chức tư vấn quy hoạch xây dựng và phát triển hạ tầng giao thông. Nguồn tư liệu ngập lụt lịch sử qua 9 trận lũ điển hình là căn cứ chuẩn xác để xác định cốt nền xây dựng các tuyến đường huyết mạch, khu đô thị và cầu cống, giúp giảm 30% tổn thất vật chất do ngập úng.

Câu hỏi thường gặp

Ảnh viễn thám quang học Landsat gặp khó khăn gì trong mùa lũ và luận văn khắc phục bằng cách nào? Ảnh quang học thường bị cản trở bởi mây dày trong các đợt mưa bão. Luận văn khắc phục bằng cách xây dựng quy trình lọc ảnh không mây đa thời gian kết hợp khai thác đồng thời các chỉ số EVI, LSWI và DVEL. Nhờ đó, ranh giới ngập lũ vẫn được trích xuất chuẩn xác ngay sau khi mây tan với độ phân giải không gian 30 m.

Chỉ số EVI và LSWI có vai trò gì trong việc nhận dạng vùng ngập nước? Chỉ số EVI phản ánh mức độ xanh và sinh khối thực vật, còn LSWI đặc biệt nhạy cảm với lượng nước mặt và độ ẩm đất. Khi nước lũ tràn ngập bề mặt, giá trị LSWI tăng vọt vượt qua giá trị EVI. Thuật toán so sánh logic giữa hai chỉ số này giúp phân loại tuyệt đối diện tích đất bị ngập lũ tạm thời.

Kết quả nghiên cứu giúp ích gì cho công tác vận hành hồ chứa trên sông Ba? Cơ sở dữ liệu GIS giúp trực quan hóa mối quan hệ giữa lưu lượng xả lũ từ 198 hồ chứa với phạm vi ngập lụt hạ du. Nhờ các kịch bản ngập lụt được mô phỏng chi tiết, các kỹ sư vận hành có thể điều tiết xả lũ hợp lý, hạn chế tối đa nguy cơ ngập úng cho hơn 48.000 ha đất canh tác.

Phương pháp viễn thám kết hợp GIS có ưu điểm gì so với phương pháp đo đạc truyền thống? Viễn thám và GIS cho phép giám sát đồng bộ trên toàn diện tích lưu vực 13.508 km2 một cách khách quan và liên tục. Phương pháp này giúp tiết kiệm hơn 70% ngân sách khảo sát thực địa, đồng thời tái hiện sống động không gian ngập lụt của các trận lũ lịch sử từ năm 1991 mà trắc địa truyền thống không thể thực hiện.

Cơ sở dữ liệu GIS của luận văn có khả năng mở rộng sang các lưu vực khác không? Quy trình công nghệ và cấu trúc dữ liệu của luận văn hoàn toàn có thể chuyển giao và áp dụng cho các lưu vực sông lân cận tại miền Trung như sông Kone hay sông Trà Khúc. Mô hình được thiết kế mở, sẵn sàng tích hợp thêm dữ liệu vệ tinh Radar Sentinel-1 để cảnh báo ngập lụt xuyên suốt 24/7.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện chế độ mưa lũ lưu vực sông Ba quy mô 13.508 km2 dựa trên chuỗi số liệu thủy văn 1960 - 2015 và giai đoạn trọng tâm 2001 - 2015.
  • Nghiên cứu làm chủ thành công phương pháp giải đoán chuỗi ảnh Landsat đa thời gian qua các chỉ số EVI và LSWI, định lượng chính xác 9 trận lũ điển hình với diện tích ngập cực đại vượt 48.000 ha.
  • Đóng góp khoa học cốt lõi là hoàn thiện cơ sở dữ liệu GIS không gian chuẩn hóa và công cụ phần mềm hỗ trợ cảnh báo sớm dòng chảy lũ cho 10 huyện thị tỉnh Gia Lai.
  • Kế hoạch phát triển giai đoạn 2026 - 2028 tập trung vào việc tích hợp dữ liệu viễn thám Radar và tự động hóa hệ thống cảnh báo sớm trên nền tảng WebGIS.
  • Các cơ quan quản lý và đơn vị vận hành hãy chủ động ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn quy hoạch để nâng cao năng lực ứng phó thiên tai, bảo vệ an toàn cho hàng vạn hộ dân vùng hạ lưu.