Tổng quan nghiên cứu

Tỉnh An Giang, thuộc khu vực đồng bằng sông Cửu Long, có hệ thống kênh rạch dày đặc với tổng chiều dài trên 5.500 km, mật độ 1,6 km/km². Mùa mưa kéo dài từ tháng 5 đến tháng 11, chiếm 80-85% tổng lượng mưa năm, gây ra hiện tượng ngập lụt và xói lở nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến các công trình cầu trên địa bàn, đặc biệt tại huyện Tri Tôn. Từ năm 2005 đến 2009, An Giang ghi nhận 83 người chết và thiệt hại tài sản ước tính khoảng 152,5 tỷ đồng do ngập lũ, trong đó đợt lũ lớn cuối năm 2008 gây thiệt hại 582 ha đất nông nghiệp và 10 người chết.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng mô hình thủy văn HEC–HMS kết hợp với phần mềm ArcGIS để dự báo lũ và xói lở trên sông, áp dụng tại một số công trình cầu tỉnh An Giang, nhằm nâng cao hiệu quả quản lý và bảo vệ công trình giao thông trong mùa mưa lũ. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong lưu vực có diện tích dưới 100 km², với chu kỳ tái diễn 100 năm, tập trung tại huyện Tri Tôn. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu thiệt hại do lũ và xói lở gây ra, đồng thời hỗ trợ công tác quy hoạch và bảo trì các công trình cầu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính: mô hình thủy văn HEC–HMS và công nghệ GIS qua phần mềm ArcGIS. Mô hình HEC–HMS được phát triển bởi quân đội Hoa Kỳ, chuyên mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy trên lưu vực, bao gồm các thành phần như tổn thất nước mưa, chuyển đổi dòng chảy, diễn toán dòng chảy và tính toán mưa – dòng chảy liên tục. Các phương pháp tính tổn thất gồm Initial and Constant Rate, SCS Curve Number, Green and Ampt, và Soil Moisture Accounting. Phương pháp đường đơn vị Snyder được sử dụng để chuyển đổi lượng mưa hiệu quả thành dòng chảy trên bề mặt lưu vực. Diễn toán dòng chảy áp dụng phương pháp Muskingum truyền thống và Muskingum-Cunge hiện đại để mô phỏng sự di chuyển sóng lũ trên kênh.

Phần mềm ArcGIS với công cụ Arc Hydro Tools tích hợp thuật toán D8 giúp phân tích dòng chảy mặt, phân chia lưu vực và tính toán dòng chảy tích lũy dựa trên dữ liệu cao độ số DEM với độ phân giải 30x30 m. Các khái niệm chính bao gồm: hướng dòng chảy, dòng chảy tích lũy, phân chia lưu vực, và đường quá trình lũ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu mưa giờ và lưu lượng thực đo tại các trạm quan trắc trên lưu vực sông Hậu, đặc biệt là trận lũ điển hình năm 1978. Dữ liệu DEM được tải từ cơ sở dữ liệu Global Mapper và xử lý trong ArcGIS để phân tích địa hình và dòng chảy. Cỡ mẫu nghiên cứu là lưu vực có diện tích dưới 100 km² tại huyện Tri Tôn, tỉnh An Giang.

Phương pháp phân tích kết hợp mô phỏng số với mô hình lý thuyết và thống kê. Số liệu mưa ngày được phân phối thành mưa giờ theo phương pháp thu phóng dựa trên tần suất mưa của trạm đại diện. Các thông số mô hình được hiệu chỉnh bằng phương pháp dò tìm tối ưu nhằm giảm sai số giữa kết quả mô phỏng và số liệu thực đo. Timeline nghiên cứu tập trung vào giai đoạn mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11, với các bước xử lý dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và so sánh kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân tích dòng chảy và phân chia lưu vực: Sử dụng ArcGIS với thuật toán D8, lưu vực nghiên cứu được phân chia thành 4 lưu vực con với diện tích cụ thể, cho phép mô hình hóa chính xác hướng dòng chảy và tích lũy nước mưa. Giá trị dòng chảy tích lũy tại cửa ra lưu vực đạt mức cao nhất là 35 ô lưới, tương ứng với vị trí cửa ra.

  2. Mô phỏng đường quá trình lũ: Mô hình HEC–HMS mô phỏng đường quá trình lũ tại cửa ra lưu vực cầu số 13 cho kết quả phù hợp với số liệu thực đo trận lũ năm 1978. Sai số tương đối giữa đỉnh lũ mô hình và đỉnh lũ thực đo là khoảng 11,06%, thể hiện độ chính xác cao trong dự báo.

  3. Ảnh hưởng các thông số mô hình: Các thông số như cường độ thấm ban đầu (f0), cường độ thấm ổn định (fc), thời gian trễ lũ (tLag), hệ số Cp và lưu lượng dòng chảy ngầm (Q0) có ảnh hưởng rõ rệt đến hình dạng và đỉnh của đường quá trình lũ. Việc hiệu chỉnh các thông số này giúp mô hình phản ánh sát thực tế hơn.

  4. Dự báo xói lở: Kết hợp mô hình HEC–HMS với phần mềm ArcGIS và mô hình HEC–RAS 2D cho phép dự báo xói lở tại vị trí công trình cầu, hỗ trợ đánh giá an toàn và đề xuất biện pháp bảo vệ công trình.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình HEC–HMS kết hợp ArcGIS là công cụ hiệu quả trong dự báo lũ và xói lở tại các lưu vực nhỏ, đặc biệt trong điều kiện thiếu số liệu quan trắc đầy đủ. Sai số 11,06% trong dự báo đỉnh lũ là mức chấp nhận được so với các nghiên cứu tương tự trong khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Việc sử dụng dữ liệu DEM độ phân giải 30 m giúp phân tích địa hình và dòng chảy mặt chính xác, hỗ trợ hiệu quả cho mô hình thủy văn.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, mô hình này vượt trội ở khả năng tích hợp dữ liệu GIS và mô hình thủy văn, đồng thời cho phép hiệu chỉnh thông số tối ưu dựa trên số liệu thực đo. Kết quả dự báo xói lở cũng góp phần nâng cao tính ứng dụng thực tiễn trong quản lý và bảo trì công trình cầu, giảm thiểu rủi ro do lũ và xói lở gây ra.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường quá trình lũ so sánh giữa mô hình và thực đo, bảng tổng hợp các thông số hiệu chỉnh và bản đồ phân chia lưu vực, giúp minh họa rõ ràng quá trình phân tích và kết quả mô phỏng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường quan trắc thủy văn: Thiết lập thêm các trạm đo mưa và lưu lượng trên lưu vực để nâng cao độ chính xác của dữ liệu đầu vào, giảm sai số trong mô phỏng. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: Sở Tài nguyên và Môi trường, Trung tâm Khí tượng Thủy văn tỉnh.

  2. Ứng dụng rộng rãi mô hình HEC–HMS kết hợp ArcGIS: Áp dụng mô hình cho các lưu vực khác trong tỉnh An Giang nhằm dự báo lũ và xói lở, phục vụ công tác quản lý công trình cầu và đê điều. Thời gian: 3 năm; Chủ thể: Ban Quản lý dự án giao thông, các đơn vị nghiên cứu.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn: Tổ chức các khóa đào tạo về sử dụng phần mềm HEC–HMS và ArcGIS cho cán bộ kỹ thuật, nhằm đảm bảo vận hành và hiệu chỉnh mô hình chính xác. Thời gian: 6-12 tháng; Chủ thể: Trường Đại học Giao thông Vận tải, Sở Giao thông Vận tải.

  4. Xây dựng hệ thống cảnh báo sớm lũ: Kết hợp kết quả mô hình với hệ thống cảnh báo để thông báo kịp thời cho các địa phương và đơn vị quản lý công trình cầu, giảm thiểu thiệt hại do lũ gây ra. Thời gian: 2 năm; Chủ thể: Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn, UBND tỉnh An Giang.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ quản lý công trình giao thông và thủy lợi: Nắm bắt phương pháp dự báo lũ và xói lở để lập kế hoạch bảo trì, nâng cấp công trình cầu, đảm bảo an toàn giao thông mùa mưa lũ.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng cầu hầm, thủy văn: Tham khảo mô hình thủy văn HEC–HMS kết hợp GIS trong nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn, phát triển các đề tài liên quan.

  3. Cơ quan dự báo khí tượng thủy văn: Áp dụng mô hình để nâng cao độ chính xác dự báo lũ, phục vụ công tác cảnh báo và phòng chống thiên tai.

  4. Chính quyền địa phương và các tổ chức quản lý rủi ro thiên tai: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các chính sách phòng chống lũ, giảm thiểu thiệt hại cho cộng đồng dân cư.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình HEC–HMS có thể áp dụng cho lưu vực lớn không?
    HEC–HMS có thể áp dụng cho cả lưu vực nhỏ và lớn bằng cách phân chia lưu vực thành các lưu vực con, đoạn sông và hồ chứa để mô phỏng chi tiết từng phần, sau đó tổng hợp kết quả.

  2. Dữ liệu đầu vào cần thiết cho mô hình là gì?
    Cần số liệu mưa giờ hoặc ngày, lưu lượng thực đo, dữ liệu địa hình DEM, và các thông số đặc trưng lưu vực như độ dốc, loại đất, độ phủ thực vật.

  3. Sai số trong dự báo lũ có thể giảm bằng cách nào?
    Tăng cường số lượng và chất lượng trạm quan trắc, hiệu chỉnh thông số mô hình bằng phương pháp dò tìm tối ưu, và sử dụng dữ liệu địa hình chính xác giúp giảm sai số.

  4. Phần mềm ArcGIS hỗ trợ gì trong nghiên cứu này?
    ArcGIS giúp phân tích địa hình, xác định hướng dòng chảy, phân chia lưu vực và tính toán dòng chảy tích lũy, cung cấp dữ liệu không gian quan trọng cho mô hình thủy văn.

  5. Kết quả dự báo lũ có thể ứng dụng thực tế như thế nào?
    Kết quả giúp dự báo đỉnh lũ, thời gian xuất hiện lũ, và vị trí xói lở, từ đó hỗ trợ công tác quản lý, bảo trì công trình cầu và xây dựng hệ thống cảnh báo sớm.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã thành công trong việc ứng dụng mô hình thủy văn HEC–HMS kết hợp phần mềm ArcGIS để dự báo lũ và xói lở tại lưu vực nhỏ dưới 100 km² ở huyện Tri Tôn, tỉnh An Giang.
  • Sai số dự báo đỉnh lũ so với số liệu thực đo chỉ khoảng 11,06%, thể hiện độ chính xác cao của mô hình.
  • Phân tích dòng chảy mặt và phân chia lưu vực bằng ArcGIS giúp mô hình hóa chính xác đặc điểm địa hình và thủy văn khu vực.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong quản lý và bảo vệ công trình cầu, giảm thiểu thiệt hại do lũ và xói lở gây ra.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng mô hình, tăng cường quan trắc và đào tạo chuyên môn nhằm nâng cao hiệu quả dự báo và phòng chống thiên tai trong tương lai.

Hãy áp dụng các giải pháp đề xuất để nâng cao hiệu quả quản lý công trình giao thông và bảo vệ cộng đồng trước nguy cơ lũ lụt tại An Giang.