Tổng quan luận án

Hiện tượng lũ quét là một trong những loại hình tai biến thiên nhiên có mức độ nguy hiểm cao nhất đối với tính mạng con người. Báo cáo của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu (IMHEN) giai đoạn 2001 - 2010 ghi nhận thiên tai nguồn gốc khí tượng thủy văn tại Việt Nam xảy ra liên tiếp với thiệt hại ngày càng nghiêm trọng. Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) thống kê lũ quét cướp đi sinh mạng của khoảng 5.000 người mỗi năm trên toàn cầu. Theo đánh giá của Ngân hàng Thế giới, Việt Nam là một trong bảy quốc gia chịu tác động mạnh nhất của thiên tai. Trung bình mỗi năm, lãnh thổ Việt Nam xảy ra khoảng 10 trận lũ quét, tập trung chủ yếu ở các vùng núi miền Bắc và miền Trung.

Tỉnh Quảng Nam thuộc khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ có diện tích tự nhiên 10.438,4 km², với trên 70% diện tích là đồi núi chia cắt sâu, độ dốc sườn lớn, hệ thống sông suối ngắn và dốc. Địa phương có 9 trong tổng số 18 huyện, thành phố là huyện miền núi, gồm 3 huyện thuộc nhóm 62 huyện nghèo nhất cả nước. Lượng mưa trung bình năm đạt từ 2.000 đến 2.500 mm, trong đó 80% tập trung vào mùa mưa. Bên cạnh các điều kiện tự nhiên, tác động nhân sinh như suy giảm diện tích lớp phủ rừng, chuyển đổi mục đích sử dụng đất, cùng việc xây dựng và vận hành xả lũ chưa hợp lý giữa các hồ chứa thủy điện đã làm gia tăng nguy cơ lũ quét và tạo ra các đợt lũ nhân tạo ở hạ lưu.

Công tác ứng phó tại địa phương lâu nay chủ yếu dựa vào công trình kè cơ học hoặc các hệ thống cảnh báo trực tuyến qua tin nhắn SMS, website. Tuy nhiên, do địa hình phức tạp, mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn vùng thượng nguồn còn thưa thớt và hạ tầng công nghệ thông tin hạn chế, mức độ tin cậy trong dự báo lũ quét thời gian thực gặp nhiều thách thức. Việc nghiên cứu, đánh giá nguy cơ lũ quét tổng thể theo lưu vực làm cơ sở khoa học cho quy hoạch phòng tránh và giảm thiểu thiệt hại tại các huyện miền núi tỉnh Quảng Nam là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là xác lập cơ sở khoa học nghiên cứu, đánh giá nguy cơ lũ quét ở các huyện miền núi tỉnh Quảng Nam phục vụ cho việc đề xuất các giải pháp phòng tránh và giảm thiểu tác hại do tai biến lũ quét gây nên.

Để đạt được mục tiêu trên, luận án thực hiện 4 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Xác lập cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu nguy cơ lũ quét các huyện miền núi tỉnh Quảng Nam dựa trên tổng quan các công trình nghiên cứu về hướng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu lũ quét trên thế giới, ở Việt Nam và các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài tại khu vực nghiên cứu.
  2. Phân tích các điều kiện và nhân tố gây nên nguy cơ lũ quét ở các huyện miền núi tỉnh Quảng Nam.
  3. Đánh giá tổng hợp các yếu tố gây nguy cơ lũ quét dựa trên mô hình phân tích lưu vực kết hợp với phân tích, đánh giá cảnh quan cho nghiên cứu lũ quét. Thành lập bản đồ nguy cơ lũ quét các huyện miền núi tỉnh Quảng Nam.
  4. Đề xuất phục hồi độ che phủ rừng, tái phân bố dân cư và các giải pháp khác theo lưu vực nhằm phòng tránh và giảm thiểu thiệt hại do tai biến lũ quét gây nên ở các huyện miền núi tỉnh Quảng Nam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các điều kiện, nhân tố hình thành lũ quét, tiềm năng phát sinh và nguy cơ lũ quét; mối liên hệ giữa động lực dòng chảy lưu vực và cấu trúc cảnh quan bề mặt đệm.
  • Phạm vi không gian: Toàn bộ địa bàn 9 huyện miền núi của tỉnh Quảng Nam, bao gồm: Bắc Trà My, Nam Trà My, Phước Sơn, Tiên Phước, Nông Sơn, Đông Giang, Nam Giang, Tây Giang, Hiệp Đức.
  • Phạm vi thời gian: Chuỗi số liệu khí hậu giai đoạn 1981 - 2015 (chuỗi tính toán năng lượng thủy văn mở rộng 1975 - 2015) và tư liệu điều tra các trận lũ quét lịch sử giai đoạn 2005 - 2015.
  • Phạm vi nội dung: Tập trung ứng dụng mô hình phân tích lưu vực kết hợp đánh giá cảnh quan để phân cấp nguy cơ lũ quét theo 77 tiểu lưu vực; đề xuất giải pháp ưu tiên về phục hồi rừng và tái bố trí dân cư theo cấp xã. Luận án không thực hiện phân vùng dự báo điểm hay cảnh báo tức thời thời gian thực.

Luận điểm bảo vệ

  • Luận điểm 1: Theo hướng nghiên cứu địa lí tự nhiên tổng hợp, luận án đã liên kết phân tích lưu vực về các nhân tố (độ dốc, độ chênh cao địa hình, lượng mưa) tham gia vào quá trình động lực tạo năng lượng dòng chảy với phân tích cảnh quan đánh giá ảnh hưởng của các nhân tố cảnh quan đến sự điều tiết năng lượng dòng chảy hình thành lũ quét. Phân cấp các tiểu lưu vực về nguy cơ lũ quét phục vụ cho việc quy hoạch sử dụng đất và tái phân bố dân cư nhằm phòng tránh, giảm thiểu tai biến lũ quét.
  • Luận điểm 2: Các huyện miền núi tỉnh Quảng Nam có cấu trúc địa hình, địa chất phức tạp, đồi núi chiếm phần lớn diện tích, sườn dốc mạnh, lượng mưa lớn tập trung theo mùa nên có nguy cơ lũ quét cao. Theo hướng tiếp cận nêu trong luận điểm 1, bản đồ đánh giá nguy cơ lũ quét 9 huyện miền núi tỉnh Quảng Nam được thành lập dựa trên phân cấp nguy cơ lũ quét cho 77 tiểu lưu vực. Bản đồ này cung cấp cơ sở khoa học cho việc lập kế hoạch phục hồi tỷ lệ che phủ rừng, tái phân bố dân cư theo đơn vị hành chính cấp xã là giải pháp ưu tiên trong phòng tránh, giảm nhẹ tai biến môi trường do lũ quét gây nên.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu lũ quét trên thế giới

Nghiên cứu về tai biến thiên nhiên bùng phát từ cuối thế kỷ XX, dẫn đến việc Liên Hiệp Quốc công bố Thập niên Quốc tế Giảm thiểu Tai biến Thiên nhiên (IDNDR 1990 - 2000). Các công trình quốc tế tập trung vào ba hướng tiếp cận chính:

  • Tiếp cận theo hướng địa mạo: Cochrane (1981) khẳng định nghiên cứu địa mạo giúp xác định phạm vi ảnh hưởng và dự báo mức độ tác động của lũ. Viện ITC (Hà Lan) ứng dụng mã nguồn phần mềm ILWIS xây dựng mô hình GISIZ trên quan điểm địa lý - địa mạo; mô hình SINMAP phát triển theo quan điểm địa chất công trình để lượng hóa các yếu tố trắc lượng địa hình (độ cao, độ dốc, chia cắt sâu, bề mặt cơ sở).
  • Tiếp cận tổng hợp các nhân tố (Chỉ số FFPI): Được áp dụng tại Mỹ bổ sung cho phương pháp thủy văn. Greg Smith (2003) nghiên cứu tại Colorado, Brewster (2009) tại Binghamton, Kruzdlo (2010) tại Mount Holly. Chỉ số nguy cơ lũ quét (FFPI) được tính qua phép chồng xếp 4 lớp raster: độ dốc ($Sl$), lớp phủ/sử dụng đất ($LL$), đất ($So$) và mật độ thực vật ($VD$). Phương pháp này đơn giản nhưng mang tính định tính và coi lũ là yếu tố tĩnh.
  • Tiếp cận thủy văn - thủy lực và mô hình hóa: Các mô hình kinh điển gồm DHM, HMS, TANK, SSARR, ANN, RUNOFF. Tiêu biểu có hệ thống Econova tại Canada do Michel A phát triển tích hợp mô hình MIKE 11 và MIKE FLOODWATCH; Sun và cộng sự xây dựng hệ thống quản lý lũ sông Tùng Hoa (Trung Quốc) kết hợp MIKE và GIS; Joko W xây dựng hệ thống cảnh báo sớm tại lưu vực sông Garang (Indonesia) sử dụng mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) truyền tin qua SMS và Web; Timothy L. (1993), Konstantine P. (1996) tại NOAA/HRC (Mỹ) phát triển hệ thống Hướng dẫn Lũ quét (FFG); Mark Jackson và cộng sự (2005) xây dựng công cụ Giám sát và Dự báo Lũ quét (FFMP) trên nền ArcView GIS; Estupina-Borrell và cộng sự (2006) tại Pháp giới thiệu mô hình thủy văn - thủy lực MARINE ứng dụng trên lưu vực sông Orbieu.

Các hướng nghiên cứu lũ quét tại Việt Nam

Tại Việt Nam, các nghiên cứu lũ quét được triển khai qua các nhóm tác giả:

  • Hướng địa mạo động lực và địa lý tổng hợp phân vùng nguy cơ: Trần Viết Ổn (2005) phân vùng lũ quét 4 cấp tại Điện Biên, Sơn La theo lưu vực; Nguyễn Trọng Yêm và cộng sự (2006) ứng dụng phân tích thứ bậc (AHP) phân vùng nguy cơ lũ bùn đá tại Lào Cai; Phạm Thị Lan Hương và Vũ Minh Cát (2008) xây dựng bản đồ tiềm năng lũ quét vùng Đông Bắc theo ô lưới $90 \times 90\text{ m}$; Nguyễn Ngọc Thạch và cộng sự (2011) kết hợp AHP và GIS xây dựng bản đồ nguy cơ lũ quét 5 cấp tại Vĩnh Phúc và Bắc Kạn; Uông Đình Khanh và cộng sự (2011, 2014) thành lập bản đồ tai biến lũ bùn đá, trượt lở tại Ninh Thuận và Quảng Trị; Cao Đăng Dư và cộng sự (1995 - 2006) nghiên cứu vai trò lượng mưa 7 ngày tích lũy; Võ Thịnh và Tống Phúc Tuấn (2008) phân vùng lũ quét toàn quốc theo nền địa chất đá biến chất, granit, sét vôi.
  • Hướng thủy văn động lực và cảnh báo: Đỗ Đình Sâm và cộng sự (2006) thành lập tập bản đồ cảnh báo tỷ lệ 1/250.000 vùng Nam Trung Bộ; Hà Thanh Giang (2005) chế tạo thiết bị đo mưa cảnh báo lũ quét 3 cấp báo động; Ngô Trọng Thuận (2005, 2007) chỉ ra đặc điểm lũ quét tại các lưu vực nhỏ dưới $500\text{ km}^2$, vận tốc dòng chảy đạt tới $30\text{ m/s}$; Nguyễn Viết Thi (2006, 2007) phân loại 4 dạng lũ quét và tổng kết trạm cảnh báo tự động lưu vực Nậm La - Nậm Pan (Sơn La); Lã Thanh Hà và cộng sự (2007) mô phỏng ngập lụt bằng thủy lực; Nguyễn Hữu Khải (2004) áp dụng mô hình ANN cho sông Dinh, Nậm La, sông Vệ; Trần Văn Tý (2008), Hà Quyết Nghị (2008), Lê Như Ngà (2016) phân cấp khả năng thấm nước và sinh dòng chảy mặt của các nhóm đất.

Các nghiên cứu liên quan tại địa bàn tỉnh Quảng Nam

Trên địa bàn tỉnh Quảng Nam và hệ thống lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, các công trình đã công bố gồm: nghiên cứu trượt lở đất của Nguyễn Trọng Yêm (2000), Phạm Văn Hùng (2011), Nguyễn Thị Thu Hiền (2016); đánh giá tính dễ bị tổn thương lũ lụt của Cấn Thu Văn; mô phỏng dòng chảy ngập lụt hạ du của Ngô Lê An, Tô Thúy Nga (phần mềm MOPHONG - LU), Trần Văn Tình (HEC - GeoRAS), Đặng Thanh Mai (WETSPA và HEC - RAS), Vũ Thị Thu Lan (MIKE 11, MIKE NAM); đánh giá vai trò của rừng bằng mô hình SWAT của Đào Văn Khương và Nguyễn Mạnh Linh; xác định dòng chảy tối thiểu của Nguyễn Văn Tỉnh; đánh giá tổng hợp điều kiện tự nhiên lưu vực sông Thu Bồn của Lê Anh Hùng (2016); hệ hỗ trợ trực tuyến cảnh báo lũ của Nguyễn Kim Lợi (2011 - 2012); dự án giám sát lũ quét công nghệ M2M và điện toán đám mây của KDDI và Đại học Waseda (2014 - 2015) triển khai thử nghiệm cảm biến tại Nam Trà My.

Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết

Hầu hết các công trình tại Quảng Nam tập trung vào bài toán ngập lụt vùng hạ lưu đồng bằng hoặc mang tính khảo sát hiện trạng đơn lẻ. Các mô hình cảnh báo thử nghiệm phụ thuộc vào hạ tầng viễn thông và internet vốn chưa ổn định ở vùng núi cao. Luận án giải quyết khoảng trống về phương pháp đánh giá tổng hợp trên quy mô diện hẹp cho toàn bộ vùng trung và thượng lưu 9 huyện miền núi, liên kết định lượng thế năng dòng chảy lưu vực với khả năng điều tiết của cấu trúc cảnh quan sinh thái, phân cấp nguy cơ cho từng tiểu lưu vực phục vụ trực tiếp cho quy hoạch sử dụng đất và tái định cư.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các khái niệm

Luận án kế thừa và tổng hợp các khái niệm học thuật về lũ quét:

  • Theo Lã Thanh Hà (2006), lũ quét là lũ hình thành do mưa kết hợp với các tổ hợp bất lợi về điều kiện mặt đệm sinh ra dòng chảy bùn đá trên các sườn dốc và truyền nhanh xuống hạ lưu.
  • Các tổ chức quốc tế (WMO, DHA, AMS, US NWS) xác định lũ quét là dòng chảy cực mạnh, xuất hiện bất ngờ trong thời gian ngắn (dưới 6 giờ từ khi mưa lớn), lên nhanh, xuống nhanh và có hàm lượng chất rắn cao.
  • Ba đặc trưng cơ bản của lũ quét:
    1. Tính bất ngờ: Khoảng thời gian tập trung dòng chảy đến khi đạt đỉnh lũ rất ngắn, khó dự báo chính xác.
    2. Tính ngắn hạn và ác liệt: Thường kết thúc sau 10 - 18 giờ, lưu tốc dòng chảy lớn, đỉnh lũ cao gấp 2 - 5 lần lũ thường trong cùng điều kiện mưa.
    3. Tính đậm đặc bùn đá: Tỷ lệ vật chất rắn chiếm từ 3% đến 10%, thậm chí trên 10% thể tích dòng lũ.
  • Phân loại lũ quét: Phân loại theo Cao Đăng Dư và Lê Bắc Huỳnh gồm 3 loại (do mưa lưu vực tự nhiên, do tác động con người, do vỡ đập chắn); phân loại theo Lê Đức An và Uông Đình Khanh gồm 4 loại (lũ quét nghẽn dòng, lũ quét sườn, lũ quét bùn đá, lũ quét do sự cố hồ chứa nhân tạo).

Khung phân tích và mô hình tính toán năng lượng dòng chảy

Luận án sử dụng mô hình toán của I. Ivanovski (kế thừa mô hình A. Kornev cải biên) để định lượng năng lượng địa hình và năng lượng dòng chảy: $$Y = I^{0,75} \cdot h^{0,5} \cdot P^{1,5}$$

Trong đó:

  • $Y_1 = I^{0,75} \cdot \Delta H^{0,5}$: Năng lượng địa hình, phản ánh tiềm năng phát sinh lũ quét qua hai thông số trắc lượng hình thái là độ dốc bề mặt ($I$) và độ chênh cao địa hình ($\Delta H$).
  • $Y_2 = Y_1 \cdot P^{1,5}$: Năng lượng dòng chảy mặt, tích hợp năng lượng địa hình với các đại lượng mưa ($P$).
  • $P$ được tính toán qua 3 kịch bản: lượng mưa ngày lớn nhất trung bình nhiều năm, lượng mưa mùa mưa trung bình nhiều năm, và lượng mưa ngày cực đại (chuỗi số liệu 1975 - 2015).
Mô hình độ dốc (I) + Chênh cao địa hình (ΔH)

Phương pháp phân loại và đánh giá cảnh quan

Cấu trúc cảnh quan được phân loại theo hệ thống cảnh quan sinh thái: Nền tảng rắn (Kiểu địa hình - Phụ lớp cảnh quan), Nhóm dạng địa mạo (Hạng cảnh quan), Nhóm loại đất (Thổ nhưỡng) và Lớp phủ thực vật (Hệ sinh thái).

Để xác định trọng số ảnh hưởng của các hợp phần cảnh quan đến mức độ thiệt hại của lũ quét, luận án áp dụng phương pháp hệ số tương quan hạng Spearman, đối sánh mức độ thiệt hại thực tế tại 21 điểm lũ quét lịch sử với cấp độ của từng nhân tố.

Hợp phần cảnh quan Tổng độ lệch bình phương ($\sum \Delta^2$) Trọng số chuẩn hóa
Kiểu địa hình ($D_1$) 39 0,304
Nhóm dạng địa mạo ($DM_2$) 45 0,264
Lớp phủ thực vật ($TTV_4$) 53 0,224
Nhóm loại đất ($TN_3$) 57 0,208
Tổng cộng 194 1,000

Điểm đánh giá chung cảnh quan ($D$) được tính theo công thức tổng có trọng số: $$D = 0,304 \cdot D_1 + 0,264 \cdot DM_2 + 0,224 \cdot TTV_4 + 0,208 \cdot TN_3$$

Với khoảng giá trị $D_{\min} = 1,49$, $D_{\max} = 3,78$, $\Delta D = 0,46$, cảnh quan được phân thành 5 cấp mức độ thuận lợi cho phát sinh lũ: Cấp I (< 1,95 - Rất thấp), Cấp II (1,95 - 2,41 - Thấp), Cấp III (2,41 - 2,87 - Trung bình), Cấp IV (2,87 - 3,33 - Cao), Cấp V (> 3,33 - Rất cao).

Quy trình tích hợp và chuẩn hóa phân cấp lưu vực

Quy trình tích hợp năng lượng địa hình ($Y_1$) và năng lượng dòng chảy ($Y_2$) với cảnh quan để phân cấp 77 tiểu lưu vực thực hiện qua 4 bước:

  • Bước 1: Xác định điểm trung bình cấp cảnh quan của lưu vực ($X_1$) theo phương pháp bình quân gia quyền diện tích: $$X_1 = \frac{\sum (D_i \cdot K_i)}{\sum K_i}$$ (trong đó $D_i$ là điểm cấp cảnh quan thứ $i$, $K_i$ là diện tích tương ứng).
  • Bước 2: Xác định hệ số điều chỉnh ảnh hưởng cảnh quan: $X_2 = X_1 - 3$, với $X_2 \in [-2; +2]$. Nếu $X_1 = 3$, cảnh quan không làm thay đổi năng lượng; $X_1 < 3$ cảnh quan làm giảm năng lượng ($X_2 < 0$); $X_1 > 3$ cảnh quan làm gia tăng nguy cơ ($X_2 > 0$).
  • Bước 3: Xác định điểm chuẩn hóa: $X_3 = Y + X_2$.
  • Bước 4: Xếp cấp tiềm năng và nguy cơ lũ quét thành 5 cấp (Rất thấp, Thấp, Trung bình, Cao, Rất cao) theo khoảng biến thiên chuẩn hóa $\Delta D$.
Phân cấp đánh giá Tiềm năng lũ quét ($Y_1$ + CQ) Nguy cơ lũ quét theo $P_{\text{ngày max TB}}$ Nguy cơ lũ quét theo $P_{\text{mùa mưa TB}}$ Nguy cơ lũ quét theo $P_{\text{ngày cực đại}}$
Cấp I (Rất thấp) 0,58 - 1,53 0,58 - 1,75 0,58 - 1,56 0,58 - 1,58
Cấp II (Thấp) 1,53 - 2,48 1,75 - 2,92 1,56 - 2,55 1,58 - 2,57
Cấp III (Trung bình) 2,48 - 3,43 2,92 - 4,09 2,55 - 3,53 2,57 - 3,57
Cấp IV (Cao) 3,43 - 4,38 4,09 - 5,26 3,53 - 4,52 3,57 - 4,56
Cấp V (Rất cao) 4,38 - 5,33 5,26 - 6,43 4,52 - 5,56 4,56 - 5,56

Hệ phương pháp thực tế và nguồn dữ liệu

  • Phương pháp GIS và Bản đồ: Sử dụng phần mềm ArcGIS 10.0 và MapInfo 11.0. Xây dựng mô hình số độ cao DEM độ phân giải $30\text{ m}$ từ bản đồ địa hình tỷ lệ 1/50.000 hệ tọa độ VN2000 (khoảng cao đều đường đồng mức $20\text{ m}$). Sử dụng công cụ Hydrology phân chia ban đầu được 441 lưu vực cấp 3, sau đó gộp nhóm dựa trên tính liên thông dòng chảy thành 77 tiểu lưu vực cơ sở.
  • Phương pháp thực địa: Tiến hành 2 đợt thực địa vào các năm 2015 và 2017 theo 3 tuyến khảo sát trọng điểm:
    • Tuyến 1: Đông Giang – Tây Giang – Nam Giang.
    • Tuyến 2: Nông Sơn – Hiệp Đức – Phước Sơn.
    • Tuyến 3: Tiên Phước – Bắc Trà My – Nam Trà My.
  • Nguồn dữ liệu bản đồ và thống kê: Bản đồ hiện trạng rừng các năm 1990, 1995, 2000, 2005, 2010 tỷ lệ 1/100.000; bản đồ quy hoạch 3 loại rừng; bản đồ thổ nhưỡng và địa mạo 1/100.000; bản đồ lượng mưa 1/250.000; số liệu khí tượng thủy văn 1981 - 2015 của IMHEN và Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Trung Trung Bộ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về tai biến lũ quét trên thế giới và ở Việt Nam. Luận án phân tích chi tiết ưu điểm và hạn chế của các hướng tiếp cận địa mạo, tiếp cận tổng hợp nhân tố (FFPI) và tiếp cận mô hình thủy văn - thủy lực (MIKE, SWAT, MARINE, WETSPA). Tác giả xác lập khung phương pháp tiếp cận địa lí tự nhiên tổng hợp, xây dựng quy trình phân chia 77 tiểu lưu vực từ 441 lưu vực cấp 3. Chương này trình bày chi tiết công thức toán tính năng lượng địa hình ($Y_1$), năng lượng dòng chảy ($Y_2$), hệ thống ma trận phân cấp liên kết, ma trận tương quan Spearman xác định trọng số của 4 hợp phần cảnh quan sinh thái, và thuật toán tích hợp hiệu chỉnh $X_2$ để phân cấp mức độ nguy cơ lũ quét.

Chương 2: Đặc điểm các nhân tố hình thành lũ quét ở các huyện miền núi tỉnh Quảng Nam

Chương 2 tập trung phân tích các điều kiện tự nhiên và nhân sinh chi phối cơ chế phát sinh lũ quét tại 9 huyện miền núi Quảng Nam:

  • Cấu trúc địa chất - địa mạo: Khu vực có cấu tạo địa chất phức tạp gồm các khối nâng dạng vòm, đá biến chất, granit và trầm tích lục nguyên; địa hình chia cắt sâu và phân cắt ngang mạnh, độ dốc sườn phổ biến trên $25^\circ - 30^\circ$, tạo thế năng dòng chảy lớn.
  • Đặc điểm khí hậu - thủy văn: Chế độ mưa phân hóa mạnh theo không gian do tác động kết hợp của hoàn lưu gió mùa, tín phong và địa hình chắn gió dãy Trường Sơn. Mưa tập trung từ tháng IX đến tháng XII; xuất hiện nhiều tâm mưa lớn cục bộ với lượng mưa ngày cực đại vượt ngưỡng gây lũ bùn đá. Hệ thống suối nhánh có mạng lưới dạng lông chim hoặc nan quạt, hệ số tập trung nước nhanh.
  • Thổ nhưỡng và thảm phủ: Các nhóm đất feralit phát triển trên đá biến chất và granit có tầng phong hóa dày nhưng độ liên kết kém khi bão hòa nước. Thảm thực vật rừng tự nhiên bị suy giảm và phân mảnh; sự gia tăng rừng trồng keo chu kỳ ngắn và nương rẫy làm giảm khả năng giữ nước mặt đệm.
  • Nhân tố nhân sinh: Hoạt động mở đường giao thông cắt xẻ chân sườn dốc, hoạt động khai thác khoáng sản và tác động vận hành của các bậc thủy điện bậc thang làm biến đổi dòng chảy tự nhiên và gia tăng nguy cơ lũ nhân tạo.

Chương 3: Đánh giá nguy cơ lũ quét ở các huyện miền núi tỉnh Quảng Nam. Đề xuất các giải pháp phòng tránh, giảm thiểu tai biến môi trường do lũ quét tại các huyện miền núi tỉnh Quảng Nam

Chương 3 là nội dung cốt lõi của luận án, trình bày các kết quả đánh giá định lượng và bản đồ:

  • Thành lập bản đồ tiềm năng phát sinh lũ quét: Tích hợp năng lượng địa hình ($Y_1$) với cấu trúc cảnh quan sinh thái cho 77 tiểu lưu vực. Kết quả xác định các tiểu lưu vực có tiềm năng phát sinh lũ quét ở mức cao và rất cao phân bố chủ yếu ở các vùng núi cao giáp ranh phía tây thuộc Nam Trà My, Phước Sơn, Nam Giang và Tây Giang.
  • Thành lập bản đồ nguy cơ lũ quét theo các kịch bản mưa: Đánh giá năng lượng dòng chảy mặt ($Y_2$) hiệu chỉnh cảnh quan theo lượng mưa ngày lớn nhất trung bình nhiều năm, lượng mưa mùa mưa trung bình nhiều năm và lượng mưa ngày cực đại. Bản đồ phân cấp chỉ rõ các khu vực xung yếu tập trung tại các tiểu lưu vực có diện tích sườn dốc lớn, rừng phòng hộ đầu nguồn suy giảm và nằm trong vùng tâm mưa.
  • Đề xuất giải pháp quy hoạch phòng tránh giảm nhẹ:
    • Phục hồi tỷ lệ che phủ rừng: Xác định thứ tự ưu tiên khoanh nuôi, tái sinh rừng tự nhiên và chuyển hóa rừng trồng sản xuất sang rừng phòng hộ đầu nguồn tại các tiểu lưu vực có nguy cơ cấp IV và cấp V.
    • Tái phân bố dân cư: Rà soát, lập bản đồ mức độ rủi ro theo ranh giới hành chính cấp xã; xác lập kế hoạch di dời các điểm dân cư nằm trong lòng khe suối hẹp, chân taluy âm/dương mất ổn định sang các vị trí an toàn theo quy hoạch nông thôn mới.
    • Giải pháp quản lý và công trình hỗ trợ: Nâng cao quy chế phối hợp vận hành xả lũ liên hồ chứa thủy điện và hoàn thiện quy chế giám sát môi trường lưu vực.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Lần đầu tiên tại Việt Nam, hướng tiếp cận địa lí tự nhiên tổng hợp liên kết giữa mô hình phân tích năng lượng động lực dòng chảy lưu vực (mô hình I. Ivanovski cải biên) với phân tích đánh giá cấu trúc cảnh quan sinh thái được xây dựng và áp dụng hoàn chỉnh để đánh giá nguy cơ lũ quét theo đơn vị tiểu lưu vực.
  2. Xác lập được phương pháp định lượng trọng số các nhân tố cảnh quan (địa hình, địa mạo, thổ nhưỡng, thực vật) thông qua hệ số tương quan hạng Spearman dựa trên dữ liệu thực tế của 21 điểm lũ quét lịch sử, khắc phục tính chủ quan thuần túy của các phương pháp chuyên gia truyền thống.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Xây dựng bộ bản đồ đánh giá tiềm năng phát sinh lũ quét và bản đồ đánh giá nguy cơ lũ quét tỷ lệ chi tiết cho 9 huyện miền núi tỉnh Quảng Nam dựa trên kết quả phân cấp 77 tiểu lưu vực dưới các kịch bản mưa khác nhau.
  2. Đề xuất danh mục và thứ tự ưu tiên trong quy hoạch phục hồi tỷ lệ che phủ rừng phòng hộ, kế hoạch sắp xếp và tái phân bố dân cư gắn liền với đơn vị hành chính cấp xã, cung cấp cơ sở khoa học trực tiếp phục vụ công tác quy hoạch sử dụng đất và quản lý thiên tai tại địa phương.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Luận án tiếp cận đánh giá nguy cơ tĩnh theo đơn vị tiểu lưu vực cơ sở ($30\text{ m}$ pixel DEM), chưa giải quyết bài toán mô phỏng thủy lực dòng chảy 2 chiều thời gian thực để cảnh báo tức thời theo từng giờ của trận mưa. Mạng lưới trạm đo mưa tự động tại vùng thượng lưu còn thưa thớt nên dữ liệu mưa chủ yếu dựa trên không gian nội suy.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Bổ sung lắp đặt các cụm cảm biến đo mưa và mực nước tự động tại các tiểu lưu vực xung yếu cấp V; tích hợp mô hình thủy văn - thủy lực thời gian thực để nâng cao khả năng cảnh báo sớm; cập nhật các kịch bản biến đổi khí hậu cực đoan vào mô hình năng lượng dòng chảy.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh và giảng viên: Là tài liệu chuyên khảo tham khảo về phương pháp luận địa lí tự nhiên tổng hợp, kỹ thuật phân tích không gian GIS trong phân chia lưu vực và thuật toán tích hợp đánh giá cảnh quan sinh thái ứng dụng cho nghiên cứu tai biến thiên nhiên.
  • Đối với nhà quản lý và hoạch định chính sách: Cung cấp tài liệu cho Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn tỉnh Quảng Nam, cùng Ủy ban nhân dân 9 huyện miền núi trong việc lập quy hoạch 3 loại rừng, bố trí dân cư nông thôn và xây dựng kế hoạch ứng phó thiên tai cấp huyện, xã.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng mô hình toán nào để xác định năng lượng phát sinh lũ quét?

Luận án ứng dụng mô hình của I. Ivanovski (trên cơ sở mô hình A. Kornev cải biên): $Y = I^{0,75} \cdot h^{0,5} \cdot P^{1,5}$. Trong đó, năng lượng địa hình được xác định bởi $Y_1 = I^{0,75} \cdot \Delta H^{0,5}$ ($I$ là độ dốc, $\Delta H$ là độ chênh cao địa hình) và năng lượng dòng chảy mặt là $Y_2 = Y_1 \cdot P^{1,5}$ ($P$ là lượng mưa tính toán).

2. Trọng số của các nhân tố cảnh quan ảnh hưởng đến lũ quét được xác định như thế nào?

Trọng số được xác định thông qua phương pháp hệ số tương quan hạng Spearman, đối sánh mức độ thiệt hại tại 21 điểm lũ quét lịch sử với cấp độ của từng nhân tố. Kết quả: Kiểu địa hình đạt trọng số cao nhất ($0,304$), tiếp theo là Nhóm dạng địa mạo ($0,264$), Lớp phủ thực vật ($0,224$) và Nhóm loại đất ($0,208$).

3. Đơn vị không gian cơ sở được sử dụng để phân cấp nguy cơ lũ quét là gì?

Từ mô hình số độ cao DEM $30\text{ m}$, tác giả sử dụng công cụ Hydrology phân chia ban đầu thành 441 lưu vực cấp 3, sau đó gộp nhóm theo nguyên tắc liên thông dòng chảy và tích lũy năng lượng thành 77 tiểu lưu vực cơ sở để đánh giá và lập bản đồ phân cấp nguy cơ.

4. Luận án đánh giá nguy cơ lũ quét dựa trên các kịch bản lượng mưa nào?

Năng lượng dòng chảy ($Y_2$) được tính toán qua 3 kịch bản mưa: (1) Lượng mưa ngày lớn nhất trung bình nhiều năm giai đoạn 1975 - 2015; (2) Lượng mưa mùa mưa trung bình nhiều năm giai đoạn 1975 - 2015; và (3) Lượng mưa ngày cực đại lịch sử.

5. Hai giải pháp ưu tiên dài hạn được luận án đề xuất là gì?

Hai giải pháp công trình và phi công trình ưu tiên hàng đầu là: Phục hồi, nâng cao tỷ lệ che phủ rừng phòng hộ đầu nguồn tại các tiểu lưu vực có nguy cơ cao; và Quy hoạch tái phân bố, sắp xếp lại các điểm dân cư xung yếu theo đơn vị hành chính cấp xã.

Kết luận

Luận án đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu xác lập cơ sở khoa học và thực tiễn trong nghiên cứu, đánh giá nguy cơ lũ quét tại 9 huyện miền núi tỉnh Quảng Nam. Bằng việc kết hợp phương pháp phân tích năng lượng lưu vực với đánh giá cấu trúc cảnh quan sinh thái và công nghệ GIS, công trình đã phân cấp chi tiết tiềm năng và nguy cơ lũ quét cho 77 tiểu lưu vực. Các kết quả bản đồ và đề xuất ưu tiên phục hồi rừng, tái bố trí dân cư cấp xã cung cấp luận cứ khoa học tin cậy phục vụ công tác quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội và giảm thiểu tai biến môi trường tại địa phương.