Tổng quan luận án

Lũ quét là loại hình thiên tai có mức độ nguy hiểm cao, xuất hiện với tần suất và độ phức tạp ngày càng gia tăng tại các lưu vực sông suối miền núi nhiệt đới và cận nhiệt đới trên thế giới (như khu vực phụ cận dãy Himalaya thuộc Ấn Độ, Trung Quốc, Pakistan, Thái Lan, Nepal, Indonesia, Philippines, Malaysia, Nhật Bản, Hàn Quốc, Việt Nam). Tại Việt Nam, theo số liệu của Tổng cục Phòng chống thiên tai, trung bình mỗi năm xảy ra khoảng 10-15 trận lũ quét, tập trung tại bốn khu vực chính: vùng núi Bắc Bộ, Trung Bộ, Tây Nguyên và Đông Nam Bộ. Trong vòng 20 năm qua, các tỉnh miền núi phía Bắc đã ghi nhận trên 300 trận lũ quét quy mô lớn. Từ năm 2005 đến nay, nhiều trận lũ quét gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản đã xảy ra tại Lai Châu (2012, 2018), Yên Bái (2005, 2011), Lào Cai (2008), Bắc Kạn (2009), Nghệ An (2007, 2016), Đắk Lắk (2001), Kon Tum (2009), Hòa Bình (2011) và Hà Giang (2012–2020).

Theo báo cáo năm 2019 của Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Hà Giang, trong giai đoạn 2014–2019, toàn tỉnh đã xảy ra 15 trận lũ quét làm 70 người chết, 1 người mất tích, 82 người bị thương và làm hư hỏng 19.853 ha lúa, hoa màu. Các sự kiện tiêu biểu gồm trận lũ quét tháng 7/2013 tại Vị Xuyên (3 người bị thương, 43 nhà phải di dời, vùi lấp 21,6 ha lúa), đợt sạt lở lũ quét tháng 7/2014 tại Hoàng Su Phì (7 người chết, 2 người bị thương) và trận lũ ống ngày 07/9/2015 tại Vị Xuyên (cuốn trôi 4 người trong một gia đình).

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả chỉ ra là: trước đây công tác cảnh báo lũ quét chủ yếu dựa vào các mô hình dự báo tĩnh với kịch bản định sẵn, vận hành thủ công, cập nhật số liệu mưa chậm và không liên tục. Các phương pháp cảnh báo tức thời quốc tế và trong nước chưa đi sâu vào các lưu vực quy mô nhỏ miền núi – nơi mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn rất thưa thớt – và chưa tích hợp đầy đủ các đặc trưng vật lý mặt đệm thực tế để nâng cao độ chính xác. Do đó, luận án thực hiện đề tài: "Nghiên cứu phương pháp cảnh báo lũ quét cho lưu vực nhỏ miền núi và áp dụng thử nghiệm cho 2 lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng, tỉnh Hà Giang".

Mục tiêu nghiên cứu

  • Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu phương pháp cảnh báo lũ quét cho lưu vực nhỏ miền núi và áp dụng thử nghiệm cho 2 lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng, tỉnh Hà Giang.
  • Mục tiêu cụ thể:
    1. Xây dựng phương trình thực nghiệm xác định lưu lượng tràn bờ cho lưu vực nhỏ miền núi.
    2. Xác định ngưỡng mưa định hướng sinh lũ quét (FFG) dựa trên lưu lượng tràn bờ và trạng thái lưu vực tính toán từ mô hình thủy văn tự xây dựng cho lưu vực nghiên cứu.
    3. Ứng dụng phương pháp cảnh báo lũ quét cho lưu vực sông miền núi vào công cụ cảnh báo lũ quét cho lưu vực nghiên cứu Nậm Ly và Nà Nhùng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Lưu lượng tràn bờ ($Q_{bf}$), ngưỡng mưa sinh lũ quét (FFG), phương pháp và công cụ cảnh báo lũ quét.
  • Phạm vi không gian: Các lưu vực sông suối nhỏ miền núi ít trạm quan trắc đo đạc khí tượng thủy văn, nghiên cứu điển hình tại lưu vực sông Nậm Ly và Nà Nhùng, tỉnh Hà Giang.
  • Phạm vi thời gian: Dữ liệu địa hình, chuỗi số liệu khí tượng thủy văn quan trắc lịch sử và các đợt mưa lũ thử nghiệm thực tế trong năm 2020 (đặc biệt là các đợt lũ tháng 6 và tháng 7 năm 2020).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

  1. Khái niệm và cơ chế hình thành lũ quét: Luận án tổng thuật định nghĩa của WMO (1981), AMS (2005), DHA (1992), US NWS (2018), Georgakakos (1984), Quyết định số 46/2014/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ, cùng các công trình trong nước của Cao Đăng Dư và nnk (2000), Vũ Minh Cát và nnk (2007), Ngô Đình Tuấn (2006), Lã Thanh Hà và nnk (2009), Nguyễn Hiệu (2008). Các tài liệu đều thống nhất lũ quét là loại lũ xuất hiện nhanh, bất ngờ trên diện tích lưu vực nhỏ từ vài chục đến vài trăm $\text{km}^2$, có dòng chảy xiết, sức tàn phá lớn. Tác giả lựa chọn hướng tiếp cận phù hợp với WMO: lũ quét là trận lũ xảy ra bất ngờ trong thời gian ngắn với đỉnh lũ tương đối lớn, xuất hiện trên sông và gây tràn bờ.
  2. Khái niệm và phương pháp xác định lưu lượng tràn bờ ($Q_{bf}$): Các nghiên cứu của Wolman và nnk (1957, 1960), Woodyer (1968), Nixon (1959), Williams (1978), Schumm (1960, 1968), Bray (1972), Leopold (1964, 1967), Pickup và nnk (1976), Riley (1972), Emmett (1975, 2001, 2004), Andrews (1980), Sherwood (2002), Hey (1975), Viện Thủy lực Đan Mạch (1978), Quian và nnk (1987). Về mặt phương pháp, $Q_{bf}$ từng được xác định qua: công thức kinh nghiệm hình học mặt cắt, quan hệ với lưu lượng trung bình năm, tần suất lặp lại (chu kỳ 1,5 năm theo Leopold, Emmett), hoặc khảo sát nhận diện mực nước tràn bờ qua dấu hiệu thực địa (Bent, 2013; Blanton và nnk, 2010; Mulvihill và nnk, 2009; Doll, 2003; Krstolic, 2007; Lumia, 2006; Ahearn, 2004; Benson, 1962; USDA, 2006, 2013, 2014).
  3. Các phương pháp cảnh báo lũ quét:
    • Chỉ số tiềm năng lũ quét tĩnh (FFPI): Jeffrey Zogg và Kevin Deitsch (2013), Greg Smith (2003), Brewster (2009), Kruzdlo (2010); tại Việt Nam có Trần Viết Ổn (2006), Nguyễn Trọng Yêm và nnk (2006), Phạm Thị Hương Lan và nnk (2007), Lã Thanh Hà (2009), Nguyễn Lập Dân và nnk (2011). Nhược điểm là mang tính định tính, dùng bản đồ tĩnh, không xét đến độ ẩm và trạng thái dòng chảy tức thời.
    • Phương pháp ngưỡng mưa cố định và Đường tới hạn (CL): Forestieri (2016) với mô hình TOPDM; Hướng dẫn của Bộ Xây dựng Nhật Bản (2005); Golian và nnk (2010) kết hợp Monte Carlo, Huff và HEC-HMS; Dự án điều tra phân vùng 14 tỉnh miền núi phía Bắc của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường (2009); Ngô Đình Tuấn (2000) thuộc Dự án UNDP VIE/97/002. Hạn chế là ngưỡng mưa cố định không phản ánh được sự thay đổi trạng thái bão hòa của đất theo thời gian.
    • Phương pháp ngưỡng mưa định hướng sinh lũ quét (FFG) và hệ thống hỗ trợ: Sweeney và nnk - NOAA (1992); Georgakakos và nnk (2006, 2013, 2018); Hapuarachchi và nnk (2011); Dự án VNFFGS (2012–2017) của Viện Khoa học KTTV và BĐKH; nghiên cứu của Trung tâm Dự báo KTTV Quốc gia (2020) dựa trên MRCFFGS bằng C#.
    • Hệ thống giám sát đo đạc thực tế: Hệ thống ALERT của WMO, hệ thống cảnh báo tại Mt. Unzen-Fugen (Nhật Bản), Merapi (Indonesia), IFLOWS và FFMP (Hoa Kỳ), hệ thống cảnh báo sông Ping (Thái Lan); tại Việt Nam có trạm cảnh báo sông La - Kẻ Gỗ (Hà Tĩnh) và Nậm La - Nậm Pàn (Sơn La, 1995-1996).

Khoảng trống luận án giải quyết

Hệ thống FFGS hiện hành tập trung quy mô lớn, chưa xác định chi tiết ngưỡng $Q_{bf}$ cho từng tiểu lưu vực miền núi nhỏ phía Bắc, sử dụng nguồn mưa dự báo đơn lẻ (như WRF) có sai số cao khi mưa lớn cục bộ ($>30\text{ mm}$). Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống: thiết lập phương pháp luận tính $Q_{bf}$ bằng phương trình thực nghiệm từ dữ liệu khảo sát thực địa kết hợp đặc trưng lưu vực; tự phát triển mô hình toán thủy văn CTM (Java) để liên tục cập nhật trạng thái ban đầu của đất và dòng chảy từ mạng lưới đo mưa tự động, kết hợp mô hình mưa dự báo GEM để xác định FFG và chỉ số FFT theo thời gian thực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Định nghĩa tràn bờ: Tràn bờ xảy ra khi mực nước sông đạt cao trình bãi ngập lụt tự nhiên. Phương trình dòng chảy qua mặt cắt sử dụng công thức Manning: $$Q = \frac{1}{n} F R^{2/3} \sqrt{S}$$ Trong đó: $F$ là diện tích mặt cắt ướt ($\text{m}^2$), $R$ là bán kính thủy lực ($\text{m}$), $S$ là độ dốc đáy sông, $n$ là hệ số nhám Manning xác định theo Barnes (1969).
  • Nhận diện mực nước tràn bờ: Áp dụng tiêu chuẩn 6 dấu hiệu nhận biết của Bent (2013), Blanton (2010), McCandless (2003): (1) Cao trình bãi sông bắt đầu tràn bờ; (2) Cao trình cao nhất của điểm bồi tụ lòng sông; (3) Điểm thay đổi độ dốc bờ sông; (4) Điểm thay đổi thành phần hạt trầm tích; (5) Cao trình đỉnh hố xói hàm ếch (undercut); (6) Ranh giới thay đổi thảm thực vật; và (7) Vết bùn cát, vết nước trên vách đá.
  • Ngưỡng mưa định hướng sinh lũ quét (FFG): Lượng mưa hiệu quả $R$ trong thời đoạn tính toán cần thiết để tạo ra lưu lượng đỉnh lũ tại cửa ra tiểu lưu vực bằng đúng lưu lượng tràn bờ: $$Q_{bf} = q_p \cdot R \cdot A$$ Trong đó: $Q_{bf}$ là lưu lượng tràn bờ ($\text{m}^3/\text{s}$), $q_p$ là lưu lượng đỉnh của đường lũ đơn vị ($(\text{m}^3/\text{s})/\text{km}^2/\text{mm}$), $A$ là diện tích lưu vực ($\text{km}^2$).
  • Mô hình toán CTM (Java): Chuyển hóa mưa thành dòng chảy và phân tích tổn thất:
    • Công thức thấm Horton: $K_t = K_c + (K_0 - K_c) e^{-\alpha t}$
    • Công thức thấm Phillip: $K_t = K_c + \frac{A}{t^{1/2}}$
    • Công thức thấm Phê-đô-rôp: $K_t = K_c + (a_t - K_c) \exp\left(-\frac{a_t \cdot t}{d}\right)$
    • Phương pháp SCS-CN, Green-Ampt, Deficit and Constant, Soil Moisture Accounting (SMA). Diễn toán dòng ngầm bằng đường cong nước rút; diễn toán dòng chảy lòng dẫn bằng hồ chứa tuyến tính và Muskingum.

Phương pháp nghiên cứu

  • Điều tra khảo sát thực địa: Đo đạc trắc dọc, trắc ngang lòng sông, định vị cao trình ngập và các dấu hiệu vết lũ tràn bờ tại hiện trường.
  • Phân tích thống kê: Phân tích hồi quy đơn biến và đa biến dạng hàm số mũ ($Y = a \cdot X_1^{b_1} \cdot X_2^{b_2} \dots$) để thiết lập tương quan giữa $Q_{bf}$ với các thông số lưu vực; đánh giá độ tin cậy thông qua hệ số tương quan và giá trị mức ý nghĩa thống kê $p$-value ($p < 0,05$).
  • Mô hình toán học: Lập trình xây dựng phần mềm mô hình thủy văn CTM bằng ngôn ngữ Java; kiểm chuẩn kết quả mô phỏng thủy văn với mô hình chuẩn HEC-HMS.
  • Công nghệ GIS và Viễn thám: Xử lý mô hình số độ cao (DEM), trích xuất mạng lưới sông suối, phân chia tiểu lưu vực, lập đa giác Thiessen tính trọng số mưa trạm, chồng xếp các lớp bản đồ thổ nhưỡng và hiện trạng sử dụng đất.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/10.000 do Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành.
  • Dữ liệu thổ nhưỡng, bản đồ hiện trạng sử dụng đất của tỉnh Hà Giang.
  • Chuỗi số liệu mưa đo tự động truyền trực tuyến theo thời gian thực tại các trạm lắp đặt trên lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng.
  • Sản phẩm dự báo mưa số trị dạng lưới từ mô hình toàn cầu GEM (The Global Environment Multiscale Model).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu về lũ quét và cảnh báo, dự báo lũ quét

Chương này hệ thống hóa các định nghĩa khoa học và cơ sở pháp lý về lũ quét, khẳng định tính phức tạp do thời gian tập trung nước ngắn và sức tàn phá lớn. Tác giả phân tích chuyên sâu khái niệm "tràn bờ" (bankfull), cao trình bờ tự nhiên và lưu lượng tràn bờ ($Q_{bf}$) như một chỉ tiêu vật lý xác thực để kích hoạt cảnh báo lũ quét. Tổng quan các phương pháp cảnh báo trên thế giới (FFPI, đường tới hạn CL, FFG, mạng lưới trạm tự động ALERT, IFLOWS, FFMP) và tại Việt Nam (các bản đồ phân vùng của Viện Khoa học KTTV&BĐKH, hệ thống VNFFGS, nghiên cứu thử nghiệm tại Sơn La, Hà Tĩnh) được mổ xẻ chi tiết. Tác giả chỉ ra các điểm nghẽn: tính tĩnh của các chỉ số bản đồ, sự thiếu hụt số liệu đo đạc chi tiết tại các lưu vực sông nhỏ miền núi, và sự phụ thuộc vào các mô hình mưa dự báo thiếu kiểm nghiệm cục bộ. Từ đó, chương 1 đề xuất khung phương pháp luận kết hợp khảo sát dấu hiệu tràn bờ thực địa, xây dựng hàm hồi quy thực nghiệm $Q_{bf}$, mô hình hóa thủy văn thời gian thực CTM và tích hợp dữ liệu mưa dự báo GEM.

Chương 2: Nghiên cứu xây dựng phương pháp cảnh báo lũ quét cho lưu vực nhỏ sông miền núi

Chương 2 thiết lập cơ sở toán học và quy trình thực hiện phương pháp cảnh báo:

  • Xây dựng phương trình thực nghiệm $Q_{bf}$: Hướng dẫn tiêu chuẩn chọn mặt cắt khảo sát, đo vẽ hình học lòng dẫn và xác định mực nước tràn bờ từ 6 dấu hiệu hiện trường. Tính $Q$ theo công thức Manning với hệ số nhám Barnes, lập đường quan hệ $Q = f(Z)$. Xác định tập biến độc lập đầu vào gồm: diện tích lưu vực ($F$), độ dốc lưu vực ($S_{lv}$), độ cao trung bình lưu vực ($Z_{tb}$), chiều dài sông chính ($L_c$), độ dốc sông chính ($S_s$), mật độ lưới sông ($n$), và chỉ số mặt đệm $CN$ (Mishra, 2003, 2007). Sử dụng hàm hồi quy đa biến dạng mũ kết hợp kiểm định $p$-value ($p < 0,05$).
  • Xây dựng mô hình toán CTM (Java): Thiết kế cấu trúc hướng đối tượng gồm 3 khối:
    1. Khối lưu vực (Subbasin): Tính tổn thất và thấm (Horton, Phillip, Phê-đô-rôp, SCS-CN, Green-Ampt, SMA), tạo dòng chảy mặt bằng phương pháp đường lũ đơn vị SCS và dòng ngầm bằng đường cong nước rút.
    2. Khối đoạn sông (Reach): Diễn toán dòng chảy bằng mô hình hồ chứa tuyến tính và Muskingum.
    3. Khối kết nối (Junction): Ghép nối và cộng dồn lưu lượng từ các nhánh sông.
  • Phương pháp xác định FFG và FFT: Mô phỏng dòng chảy sinh ra từ lượng mưa thực đo đến thời điểm hiện tại để xác định trạng thái bão hòa của lưu vực. Giả định các kịch bản mưa bổ sung trong các thời đoạn (1h, 2h, 3h, 6h) cho đến khi đỉnh lũ tổng hợp chạm ngưỡng $Q_{bf}$, giá trị mưa bổ sung đó chính là ngưỡng FFG. So sánh FFG với lượng mưa dự báo từ mô hình GEM để tính toán chỉ số nguy cơ đe dọa lũ quét (FFT) theo thời gian thực.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu phương pháp cảnh báo lũ quét cho lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng tỉnh Hà Giang

Chương 3 áp dụng toàn bộ phương pháp vào 2 lưu vực thực nghiệm tại tỉnh Hà Giang:

  • Khảo sát và lập phương trình $Q_{bf}$: Đo đạc hàng loạt mặt cắt thực địa (N4, N5, N6, N7, Q5, Q14...), thu thập đầy đủ các dấu hiệu tràn bờ và lập các đường cong $Q = f(Z)$. Kết quả hồi quy đa biến thiết lập mối tương quan giữa $Q_{bf}$ và các đặc trưng hình thái - mặt đệm lưu vực đạt độ tin cậy thống kê cao.
Nhóm biến độc lập Các thông số xem xét Đánh giá mức độ ảnh hưởng Ý nghĩa thống kê ($p$-value)
Hình thái lưu vực Diện tích ($F$), Độ dốc lưu vực ($S_{lv}$), Chiều dài sông chính ($L_c$) Ảnh hưởng trực tiếp, tương quan thuận mạnh $p < 0,05$
Thủy văn lòng dẫn Độ dốc sông ($S_s$), Mật độ sông ($n$), Cao trình ($Z_{tb}$) Ảnh hưởng đến thời gian tập trung dòng chảy Đạt độ tin cậy
Mặt đệm lưu vực Đường cong thấm ($CN$) từ thổ nhưỡng và sử dụng đất Quyết định tỷ lệ dòng chảy mặt và tổn thất thấm $p < 0,05$
  • Kết quả mô hình CTM và kiểm chuẩn: Giao diện tính toán của CTM được lập trình hoàn chỉnh trên Java, hỗ trợ nhập dữ liệu không gian DEM, phân chia tiểu lưu vực, lập trọng số mưa Thiessen và xuất kết quả dạng bảng, biểu đồ trực quan. Kiểm chứng kết quả tính toán dòng chảy tại tiểu lưu vực Nậm Ly 1 giữa mô hình CTM và HEC-HMS cho thấy đường quá trình dòng chảy hoàn toàn tương đồng.
Thông số / Thành phần Mô hình CTM (Luận án tự phát triển) Mô hình HEC-HMS (Hoa Kỳ) Nhận xét so sánh
Ngôn ngữ phát triển Java (hướng đối tượng, dễ đóng gói công cụ) C++ / Giao diện đóng gói sẵn CTM chủ động kiểm soát thuật toán
Tính toán tổn thất SCS-CN, Horton, Phillip, Phê-đô-rôp, Green-Ampt SCS-CN, Green-Ampt, Deficit & Constant CTM tích hợp thêm công thức Phê-đô-rôp
Chuyển hóa mưa - dòng Đường lũ đơn vị SCS Đường lũ đơn vị SCS, Snyder, Clark Tương đồng về kết quả đỉnh và chân lũ
Diễn toán lòng dẫn Hồ chứa tuyến tính, Muskingum Muskingum, Muskingum-Cunge, Kinematic Khớp nối tốt quá trình truyền lũ
Tích hợp FFG tự động Tích hợp trực tiếp thuật toán lặp tìm FFG Không hỗ trợ tự động tìm ngưỡng FFG CTM tối ưu cho cảnh báo thời gian thực
  • Đánh giá mô hình mưa GEM và vận hành công cụ cảnh báo: Đánh giá phân bố mưa tích lũy và kiểm định độ phù hợp của mô hình mưa GEM trên các ô lưới lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng. Xây dựng hoàn chỉnh phần mềm công cụ cảnh báo lũ quét hiển thị giao diện trạm đo mưa trực tuyến, bản đồ cảnh báo nguy cơ ngập lụt chi tiết đến cấp xã, thôn.
  • Kiểm nghiệm qua các trận lũ lịch sử năm 2020: Hệ thống được thử nghiệm và đối soát thực tế qua 3 đợt thiên tai lớn:
    1. Đợt lũ ngày 13–14/6/2020: Ngập lụt nghiêm trọng tại thị trấn Quảng Nguyên (lưu vực Nậm Ly).
    2. Đợt lũ ngày 06/7/2020: Tái ngập tại thị trấn Quảng Nguyên (lưu vực Nậm Ly) (chuỗi mưa phân bố từ ngày 05 đến 08/7/2020).
    3. Đợt lũ ngày 21/7/2020: Lũ quét tàn phá thôn Cốc Nam, xã Bản Nhùng (lưu vực Nà Nhùng) (chuỗi mưa tích lũy từ ngày 19 đến 22/7/2020). Kết quả phân tích cho thấy công cụ cảnh báo đã đưa ra các tín hiệu đe dọa lũ quét (FFT) trước khi xuất hiện ngập lụt trên thực địa, chứng minh tính khả thi của phương pháp.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Xác lập phương pháp luận xác định lưu lượng tràn bờ thực nghiệm: Luận án đã làm rõ cơ sở khoa học và áp dụng thành công phương pháp kết hợp điều tra khảo sát dấu hiệu mực nước tràn bờ ngoài thực địa với mô hình hồi quy đa biến để xác định lưu lượng tràn bờ ($Q_{bf}$) cho các lưu vực nhỏ sông miền núi – đối tượng vốn thiếu trạm đo đạc thủy văn.
  2. Khung phương pháp cảnh báo FFG động tích hợp mô hình CTM: Xây dựng phương pháp xác định ngưỡng mưa định hướng sinh lũ quét (FFG) biến đổi linh hoạt theo trạng thái ẩm thực tế của lưu vực thay vì dùng ngưỡng mưa tĩnh. Tự thiết kế và lập trình hoàn chỉnh mô hình thủy văn CTM bằng Java, cho phép tính toán tự động và liên tục chuỗi dòng chảy từ dữ liệu mưa trực tuyến.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Phương trình thực nghiệm cụ thể cho địa bàn nghiên cứu: Cung cấp bộ phương trình thực nghiệm tính toán $Q_{bf}$ chính xác cho 2 lưu vực sông Nậm Ly và Nà Nhùng (tỉnh Hà Giang), làm tiền đề nhân rộng cho các lưu vực sông suối khác ở vùng núi phía Bắc.
  2. Bộ công cụ phần mềm cảnh báo lũ quét trực tuyến: Xây dựng phần mềm cảnh báo lũ quét hỗ trợ người dùng theo dõi số liệu trạm đo mưa tự động, biểu đồ dòng chảy, ngưỡng FFG và hiển thị bản đồ nguy cơ chi tiết đến cấp xã, thôn bản, hỗ trợ trực tiếp công tác chỉ huy phòng chống thiên tai tại địa phương.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng công cụ cảnh báo vào mạng lưới quan trắc của Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn tỉnh Hà Giang và các sở ban ngành liên quan.
  • Tiếp tục bổ sung mật độ các trạm đo mưa tự động tại các khu vực thượng nguồn xung yếu để nâng cao độ chính xác đầu vào cho mô hình.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Khối lượng điều tra, đo đạc mặt cắt thực tế ngoài hiện trường đòi hỏi nhân lực và kinh phí lớn, gặp nhiều trở ngại do địa hình chia cắt hiểm trở tại miền núi.
  • Việc tính toán FFG tại cửa ra của tiểu lưu vực có thể dẫn đến hiện tượng cảnh báo khống ở các vị trí đầu nguồn của chính tiểu lưu vực đó nếu diện tích phân chia chưa đủ nhỏ.
  • Mô hình mưa dự báo GEM toàn cầu đôi khi vẫn tồn tại sai số về cường độ và tâm mưa cục bộ trong các trận mưa rào thời đoạn ngắn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng phạm vi điều tra, khảo sát thực địa thêm nhiều mặt cắt sông suối tại các tỉnh miền núi phía Bắc để hoàn thiện bộ tham số hồi quy $Q_{bf}$ có tính đại diện cao hơn.
  • Nghiên cứu tích hợp thêm dữ liệu mưa ước lượng từ Radar thời tiết và ảnh viễn thám độ phân giải cao nhằm giảm thiểu độ bất định của mưa dự báo.
  • Tiếp tục phân chia mạng lưới tiểu lưu vực chi tiết hơn nữa nhằm khắc phục hiện tượng cảnh báo sai lệch cục bộ tại thượng lưu.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng tham khảo: Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên các chuyên ngành Thủy văn học, Kỹ thuật tài nguyên nước, Quản lý thiên tai và Biến đổi khí hậu; các chuyên gia công nghệ thông tin địa lý (GIS); cán bộ kỹ thuật tại Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi Khí hậu; Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn các cấp.
  • Nội dung đáng tham khảo:
    • Quy trình 6 bước nhận diện mực nước tràn bờ từ dấu hiệu thực địa và kỹ thuật xây dựng đường quan hệ $Q = f(Z)$ bằng công thức Manning.
    • Cấu trúc thuật toán hướng đối tượng và mã nguồn tính toán thủy văn của mô hình CTM trên nền tảng Java.
    • Phương pháp luận xác định ngưỡng FFG động và quy trình tích hợp mô hình số trị GEM với dữ liệu trạm đo mưa tự ghi phục vụ cảnh báo thời gian thực.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án định nghĩa và tiếp cận khái niệm lưu lượng tràn bờ ($Q_{bf}$) như thế nào?

Tác giả tiếp cận theo định nghĩa của Williams (1978) và WMO: lưu lượng tràn bờ ($Q_{bf}$) là dòng chảy trong sông/suối vừa đủ lớn để lấp đầy lòng dẫn tự nhiên đến ngang bằng cao trình ngưỡng tràn bờ hai bên bờ sông ($S_{BF}$). Khi dòng chảy vượt qua ngưỡng này, nước bắt đầu tràn lên bãi ngập lụt và gây ra hiện tượng lũ quét ngập lụt.

2. Các dấu hiệu thực địa nào được tác giả sử dụng để nhận biết mực nước tràn bờ tại các mặt cắt khảo sát?

Dựa trên nghiên cứu của Bent (2013) và Blanton (2010), tác giả sử dụng 6 dấu hiệu nhận biết chính: (1) Cao trình bãi sông nơi dòng chảy bắt đầu tràn bờ; (2) Cao trình cao nhất tại các điểm bồi tụ trong lòng sông; (3) Cao trình nơi có sự đổi độ dốc bờ sông; (4) Cao trình nơi thay đổi thành phần cấp phối hạt trầm tích; (5) Cao trình đỉnh của hố xói hàm ếch bên bờ; (6) Cao trình ranh giới thay đổi thảm thực vật (chuyển tiếp từ vùng không có cây sang vùng có cây); kết hợp với vết bùn cát hoặc vết nước trên vách đá (7).

3. Mô hình thủy văn CTM do tác giả tự xây dựng có đặc điểm kỹ thuật gì nổi bật?

Mô hình CTM được lập trình độc lập bằng ngôn ngữ Java với kiến trúc 3 khối (Lưu vực, Đoạn sông, Kết nối). CTM tích hợp đa dạng các phương pháp tính thấm (SCS-CN, Horton, Phillip, Phê-đô-rôp, Green-Ampt, SMA), tính chuyển dòng bằng đường lũ đơn vị SCS và diễn toán dòng chảy bằng hồ chứa tuyến tính/Muskingum. Mô hình cho kết quả tương thích với HEC-HMS nhưng ưu việt hơn ở khả năng nhúng trực tiếp vào phần mềm cảnh báo để tự động tính toán FFG liên tục theo thời gian thực.

4. Hệ thống cảnh báo thử nghiệm của luận án đã được kiểm chứng qua những sự kiện thiên tai cụ thể nào?

Hệ thống được kiểm định độ tin cậy qua 3 trận lũ quét lịch sử trong mùa mưa năm 2020 tại tỉnh Hà Giang, bao gồm: trận lũ ngày 13–14/6/2020 và ngày 06/7/2020 tại thị trấn Quảng Nguyên (lưu vực Nậm Ly), và trận lũ quét ngày 21/7/2020 tại thôn Cốc Nam, xã Bản Nhùng (lưu vực Nà Nhùng).

5. Những thông số lưu vực nào được đưa vào mô hình hồi quy đa biến để tính toán lưu lượng tràn bờ?

Các biến độc lập được chiết xuất từ bản đồ địa hình 1/10.000, DEM, bản đồ thổ nhưỡng và sử dụng đất gồm: diện tích lưu vực ($F$), độ dốc lưu vực ($S_{lv}$), độ cao trung bình lưu vực ($Z_{tb}$), chiều dài sông chính ($L_c$), độ dốc sông chính ($S_s$), mật độ lưới sông ($n$) và chỉ số đường cong thấm mặt đệm ($CN$).

Kết luận

Luận án đã giải quyết bài toán cảnh báo sớm lũ quét theo thời gian thực cho các lưu vực nhỏ sông miền núi thiếu trạm quan trắc thông qua việc kết hợp điều tra dấu hiệu tràn bờ thực địa với xây dựng phương trình hồi quy thực nghiệm $Q_{bf}$. Việc phát triển thành công mô hình toán thủy văn CTM bằng ngôn ngữ Java đã tạo ra công cụ tính toán tự động ngưỡng mưa FFG động và chỉ số nguy cơ FFT từ dữ liệu mưa trạm tự ghi và mưa dự báo GEM. Kết quả thử nghiệm tại 2 lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng (Hà Giang) qua các trận lũ năm 2020 chứng minh tính ứng dụng cao, cung cấp cơ sở khoa học và công cụ thực tiễn phục vụ hiệu quả công tác phòng chống, giảm nhẹ thiên tai tại các địa phương miền núi.