Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Sê San có diện tích tự nhiên hơn 17.000 km2, giữ vai trò chiến lược đối với an ninh nguồn nước và phát triển năng lượng tại khu vực Tây Nguyên. Tuy nhiên, sự kết hợp giữa địa hình đồi núi dốc đứng với lượng mưa hằng năm dao động từ 1.800 mm đến 2.600 mm đã khiến hạ du thường xuyên đối mặt với các đợt ngập úng cực đoan. Trong đợt lũ lịch sử tháng 9/2009 do bão Ketsana, lưu lượng đỉnh lũ tại nhiều trạm quan trắc trên sông đã vượt ngưỡng 10.000 m3/s, làm ngập hàng ngàn hecta hoa màu và cô lập nhiều khu dân cư ven sông trong nhiều ngày.

Vấn đề cốt lõi hiện nay là sự thiếu hụt các công cụ mô phỏng động lực học dòng chảy có khả năng tích hợp chính xác giữa mạng lưới sông ngòi và vùng ngập tràn tự nhiên. Mục tiêu của công trình là xây dựng bản đồ ngập lụt có độ phân giải cao cho khu vực thượng nguồn đến hồ thủy điện Ialy, dựa trên chuỗi số liệu khí tượng thủy văn đo đạc từ năm 1996 đến năm 2017. Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học hỗ trợ giảm thiểu thiệt hại tài sản ước tính khoảng 25% đến 35% mỗi năm, đồng thời nâng cao hiệu quả vận hành liên hồ chứa và năng lực cảnh báo sớm cho cộng đồng địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng hệ thống lý thuyết thủy văn và thủy lực hiện đại để mô phỏng dòng chảy lũ trên toàn lưu vực. Nền tảng cốt lõi là lý thuyết lan truyền sóng lũ một chiều trong lòng dẫn dựa trên hệ phương trình Saint-Venant và mô hình thủy lực hai chiều cho dòng chảy tràn trên bãi sông.

Ba mô hình chủ đạo được tích hợp bao gồm: mô hình mô phỏng mưa dòng chảy NAM dạng bể chứa tầng ẩm, mô hình thủy lực một chiều MIKE 11 để truyền lũ trong mạng lưới sông chính, và mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21 giải hệ phương trình nước nông hai chiều.

Các khái niệm then chốt gồm: liên kết thủy lực Zero Flow Link giữa lòng dẫn và bãi tràn, mô hình số độ cao DEM với độ phân giải lưới tính 10 m x 10 m, và quy trình vận hành xả lũ liên hồ chứa theo quyết định điều hành hệ thống lưu vực sông Sê San.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn tại 12 trạm đo đạc mưa và mực nước thực đo trong giai đoạn 1996 - 2015, phục vụ việc phân tích mẫu chuỗi thời gian liên tục với cỡ mẫu hơn 20 năm dữ liệu. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào việc trích xuất các trận lũ cực đoan đại diện cho chu kỳ lặp lại tần suất 1%, 2%, 5% và 10%.

Lý do lựa chọn bộ công cụ MIKE FLOOD kết hợp ArcGIS là nhờ khả năng ghép nối linh hoạt giữa MIKE 11 và MIKE 21, khắc phục triệt để nhược điểm bỏ qua tương tác bãi sông của các mô hình đơn lẻ.

Toàn bộ quy trình nghiên cứu được triển khai qua 4 bước:

  • Xử lý dữ liệu DEM và thông số hình học mặt cắt lòng sông.
  • Thiết lập biên thủy lực và điều kiện ban đầu.
  • Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình qua chỉ số hiệu quả Nash-Sutcliffe và hệ số tương quan R2.
  • Xây dựng bản đồ ngập lụt đa kịch bản với thời gian tính toán mô phỏng 72 giờ cho mỗi chu kỳ lũ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô hình tích hợp MIKE FLOOD đã tái hiện xuất sắc các trận lũ lịch sử với độ chính xác cao. Chỉ số hiệu quả Nash-Sutcliffe tại trạm kiểm định đạt mức 0,86 đến 0,91, trong khi hệ số tương quan dòng chảy R2 đạt trên 0,92.

So sánh giữa số liệu thực đo và kết quả tính toán tại trận lũ tháng 9/2009 cho thấy sai số mực nước đỉnh lũ chỉ dao động trong khoảng 0,12 m đến 0,18 m, tương ứng với tỷ lệ sai lệch dưới 3,5%.

Bản đồ tính toán chỉ ra rằng khi xảy ra lũ tần suất 1%, tổng diện tích ngập lụt vùng hạ du thượng nguồn đến hồ Ialy vượt trên 4.500 hecta, với độ sâu ngập trung bình từ 1,5 m đến 3,8 m.

Đặc biệt, thời gian duy trì ngập sâu trên 1,0 m kéo dài từ 28 giờ đến 52 giờ tại các khu vực trũng thấp, làm tăng nguy cơ chia cắt giao thông lên 40% so với kịch bản lũ tần suất 5%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến ngập lụt nghiêm trọng bắt nguồn từ sự phân bố mưa cục bộ cường độ lớn trên 300 mm/24h kết hợp với độ dốc lòng dẫn thay đổi đột ngột khi dòng chảy tiến sát vùng bán ngập của hồ thủy điện. Khi so sánh với các nghiên cứu trước đây vốn chỉ sử dụng mô hình một chiều truyền thống, phương pháp ghép nối MIKE FLOOD đã giảm thiểu sai số diện tích ngập từ 18% xuống dưới 5%, làm rõ các luồng chảy xiết trên bãi tràn.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua biểu đồ thủy đồ dòng chảy lưu lượng theo thời gian và bảng ma trận diện tích ngập theo từng cấp độ sâu. Nhờ đó, các cơ quan chức năng dễ dàng nhận diện 8 điểm xung yếu có nguy cơ sạt lở bờ sông và ngập cục bộ, tạo tiền đề vững chắc cho việc thiết lập ranh giới an toàn thoát lũ.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, nâng cấp hệ thống trạm đo mưa tự động và quan trắc mực nước thời gian thực tại 15 vị trí trọng điểm thuộc lưu vực thượng nguồn sông Sê San, nhằm tăng độ chính xác của số liệu đầu vào cho mô hình dự báo trước năm 2028, do Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Tây Nguyên chủ trì thực hiện.

Thứ hai, cập nhật quy chế vận hành điều tiết xả lũ liên hồ chứa tại thủy điện Ialy và các công trình bậc thang, đặt mục tiêu duy trì dung tích phòng lũ trước mùa mưa bão ở mức tối thiểu 15% đến 20% dung tích hữu ích, do Tập đoàn Điện lực Việt Nam và Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai địa phương phối hợp thực hiện hằng năm.

Thứ ba, tích hợp bản đồ ngập lụt kỹ thuật số vào hệ thống thông tin quy hoạch sử dụng đất cấp huyện và tỉnh, cấm xây dựng công trình kiên cố trong hành lang thoát lũ với mục tiêu giảm 50% thiệt hại dân sinh vào năm 2030, do Sở Xây dựng cùng Ủy ban nhân dân các tỉnh Gia Lai và Kon Tum triển khai.

Thứ tư, xây dựng sổ tay hướng dẫn sơ tán dân cư theo 4 cấp độ ngập lụt định kỳ 6 tháng một lần, tổ chức diễn tập ứng phó thiên tai cho ít nhất 90% hộ gia đình nằm trong vùng trũng thấp trước tháng 8 hằng năm, do chính quyền cơ sở thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư thủy văn và chuyên viên mô hình hóa môi trường: Tài liệu cung cấp toàn bộ quy trình tham số hóa mô hình MIKE FLOOD, phương pháp kết nối Zero Flow Link và kỹ thuật xử lý dữ liệu địa hình DEM trên ArcGIS với độ chính xác cao.

Nhóm cán bộ quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai: Đề tài mang lại góc nhìn thực tế về bức tranh ngập lụt đa kịch bản, hỗ trợ lập kế hoạch phòng thủ dân sự và phương án phân lũ hiệu quả.

Nhóm kỹ sư vận hành nhà máy thủy điện: Luận văn cung cấp phương pháp phân tích lan truyền lũ và tính toán dung tích đón lũ cho hồ Ialy, tối ưu hóa quá trình xả lũ an toàn cho hạ du.

Nhóm học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Khí tượng Thủy văn: Công trình là tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp nghiên cứu học thuật, cách thức hiệu chỉnh thông số mô hình và xử lý chuỗi số liệu thủy văn phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

Lợi thế của việc kết nối MIKE 11 và MIKE 21 qua MIKE FLOOD là gì? Giải pháp này kết hợp ưu điểm tính toán thủy lực nhanh trong mạng lưới sông phức tạp của MIKE 11 với khả năng mô phỏng chi tiết dòng chảy tràn hai chiều trên bề mặt địa hình của MIKE 21, giảm sai số diện tích ngập xuống dưới 5% so với phương pháp truyền thống.

Chỉ số Nash-Sutcliffe đạt trên 0,85 có ý nghĩa gì trong kiểm định mô hình? Chỉ số Nash-Sutcliffe đo lường mức độ tương thích giữa số liệu tính toán và thực đo. Giá trị trên 0,85 theo tiêu chuẩn của Tổ chức Khí tượng Thế giới khẳng định mô hình đạt độ chính xác rất cao và hoàn toàn đáng tin cậy để mô phỏng ngập lụt thực tế.

Bản đồ ngập lụt được xây dựng dựa trên những kịch bản tần suất nào? Nghiên cứu thiết lập bản đồ chi tiết cho các kịch bản lũ có tần suất xuất hiện 1%, 2%, 5% và 10%, tương ứng với các chu kỳ lặp lại 100 năm, 50 năm, 20 năm và 10 năm một lần.

Số liệu địa hình DEM được xử lý như thế nào để đảm bảo độ chính xác? Dữ liệu DEM được số hóa và nắn chỉnh từ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn kết hợp đo đạc thực tế mặt cắt sông, sau đó nội suy thành lưới độ phân giải 10 m x 10 m nhằm phản ánh trung thực cao độ đê điều và lòng dẫn.

Kết quả luận văn có thể áp dụng cho các lưu vực sông khác ở Tây Nguyên không? Quy trình tính toán và khung phương pháp luận hoàn toàn có thể chuyển giao, áp dụng cho các lưu vực sông lân cận như sông Srêpôk hay sông Ba sau khi tái hiệu chỉnh tham số mưa và hình học dòng sông.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết lập thành công mô hình thủy lực tích hợp một chiều và hai chiều MIKE FLOOD cho lưu vực sông Sê San từ thượng nguồn đến hồ thủy điện Ialy.
  • Kết quả kiểm định đạt chỉ số Nash-Sutcliffe trên 0,86 và hệ số tương quan R2 trên 0,92, khẳng định độ tin cậy vượt trội của công cụ mô phỏng.
  • Bản đồ ngập lụt đa kịch bản đã phân định rõ rệt diện tích, độ sâu và thời gian ngập lụt, hỗ trợ đắc lực cho công tác quy hoạch không gian thoát lũ.
  • Đóng góp khoa học then chốt là hoàn thiện phương pháp luận ghép nối thủy lực lòng dẫn và bãi tràn cho các lưu vực sông miền núi có hồ chứa bậc thang.
  • Trong giai đoạn tới, cần tiếp tục tích hợp dữ liệu radar thời tiết và ảnh vệ tinh viễn thám để tự động hóa dự báo ngập lụt theo thời gian thực; các cơ quan quản lý và viện nghiên cứu nên đẩy mạnh khai thác ứng dụng mô hình này vào thực tiễn quản lý lưu vực.