Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Theo các báo cáo của Ngân hàng Thế giới, Việt Nam nằm trong nhóm năm quốc gia chịu tác động nặng nề nhất của biến đổi khí hậu toàn cầu. Trong các loại hình thiên tai, lũ lụt diễn ra thường xuyên và gây tổn thất lớn về cơ sở vật chất lẫn tính mạng con người qua nhiều giai đoạn lịch sử. Mặc dù hệ thống công trình phòng chống lũ như đê điều và thủy lợi đã được xây dựng, song do nhiều công trình được hình thành từ lâu và chưa được nâng cấp đồng bộ, thiệt hại do lũ lụt gây ra tại các dải ven biển miền Trung vẫn ở mức cao. Các trận lũ lớn điển hình được ghi nhận trên nhiều lưu vực sông miền Trung gồm: sông Trà Khúc (1986), sông Vệ và sông An Lão (1987), sông Kiến Giang và sông Bến Hải (1992), sông Ba, sông Srepok và sông Gianh (1993), sông Lũy (1996), sông Hương (1999), sông Thu Bồn, sông Vu Gia và sông Eakrong (1998), sông La (2002), sông Sêsan (2009), sông Gianh, sông Kiến Giang và sông Ngàn Sâu (2016). Thống kê giai đoạn 2005 – 2010 tại miền Trung cho thấy thiên tai đã làm 1.859 người thiệt mạng và mất tích (trong đó 1.640 người chết, 219 người mất tích). Các đợt lũ liên tiếp vào các tháng 9 và 10 của các năm 2011, 2012, 2013, 2014, 2016 và 2017 tiếp tục gây ra thiệt hại nghiêm trọng.

Lưu vực sông Lam là một trong những hệ thống sông lớn nhất khu vực Bắc Trung Bộ, chịu ảnh hưởng đồng thời của nhiều loại hình thiên tai đặc thù như bão, áp thấp nhiệt đới, lũ lụt, sạt lở bờ sông, bờ biển, hạn hán và xâm nhập mặn. Chu kỳ xuất hiện lũ lớn trên dòng chính sông Lam trung bình từ 9 đến 10 năm một lần, với các mốc lịch sử được ghi nhận vào các năm 1954, 1963, 1973, 1978, 1988, 2007 và 2010. Hiện tượng vỡ đê từng xảy ra trong các năm 1954, 1978, 1988 và 1996; riêng năm 1954 nước tràn qua các đoạn đê vỡ vào đồng ruộng kéo dài 16 ngày liên tục. Tổng thiệt hại do bão lũ tại lưu vực giai đoạn 1990 – 2010 ước tính trên 3.300 tỷ đồng. Trong các năm tiếp theo, trận lũ tháng 9/2013 làm 13 người chết và thiệt hại gần 400 tỷ đồng tại Nghệ An; đợt lũ tháng 10/2016 gây thiệt hại gần 1.500 tỷ đồng cho hai tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh; trận lũ tháng 10/2017 làm 10 người chết, gây thiệt hại 758 tỷ đồng ở Nghệ An và 375 tỷ đồng ở Hà Tĩnh; đợt thiên tai tháng 8/2018 làm 5 người chết, 1 người mất tích và thiệt hại trên 786 triệu đồng.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: Phần lớn các nghiên cứu dự báo, cảnh báo lũ trước đây trên lưu vực sông Lam chủ yếu tiếp cận theo hướng khí tượng - thủy văn thuần túy hoặc tập trung vào mô phỏng thủy lực dòng chảy và cảnh báo lũ quét ở phạm vi cục bộ, quy mô nhỏ. Chưa có nghiên cứu nào thực hiện phân vùng nguy cơ lũ lụt tổng thể cho toàn bộ lưu vực sông Lam dựa trên phương pháp mô hình hóa không gian có kết hợp đầy đủ các yếu tố mặt đệm địa hình, đặc biệt là chưa tính đến vai trò của yếu tố chiều dài sườn dốc tương đối trong quá trình tập trung dòng chảy mặt. Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng mô hình hóa không gian kết hợp công nghệ GIS và phân tích thứ bậc để phân vùng nguy cơ lũ là nhiệm vụ cấp thiết nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quy hoạch và cảnh báo sớm thiên tai.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là xác lập cơ sở khoa học trong việc xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam phục vụ cảnh báo lũ trên quy mô toàn lưu vực, góp phần giảm thiểu các tác động tiêu cực của thiên tai lũ lụt.

Để đạt được mục tiêu nêu trên, luận án đề ra 5 nhiệm vụ cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng quan về ứng dụng phương pháp mô hình hóa không gian trong phân vùng nguy cơ lũ trên thế giới, tại Việt Nam và trên lưu vực sông Lam.
  2. Nghiên cứu cơ sở khoa học và phương pháp luận về mô hình hóa, từ đó lựa chọn và xây dựng mô hình phù hợp với điều kiện tự nhiên của khu vực nghiên cứu.
  3. Nghiên cứu ứng dụng các công cụ phân tích không gian để tính toán và chiết tách chỉ số của các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành lũ, bao gồm: lớp phủ bề mặt, thổ nhưỡng, lượng mưa, mật độ lưới sông, độ dốc và chiều dài sườn dốc tương đối.
  4. Ứng dụng mô hình hóa không gian để thành lập bản đồ phân vùng nguy cơ lũ và xây dựng mô hình cảnh báo lũ cho lưu vực sông Lam.
  5. Đánh giá tính hiệu quả và độ tin cậy của mô hình đề xuất thông qua việc so sánh, kiểm chứng với số liệu quan trắc thực tế các trận lũ lịch sử.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Phương pháp mô hình hóa không gian phục vụ phân vùng nguy cơ lũ lụt lưu vực sông.
  • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn về mặt không gian địa lý là toàn bộ lưu vực sông Lam thuộc lãnh thổ Việt Nam và phần diện tích lưu vực liên quan.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Khảo sát trên cơ sở dữ liệu Sciencedirect với từ khóa "flood hazard zoning" giai đoạn từ năm 2009 đến tháng 9/2018 cho thấy có 1.963 công trình được công bố, với số lượng bài báo tăng đều qua từng năm (từ 59 công trình năm 2009 lên 173 công trình năm 2017). Tác giả tổng hợp xu hướng phân vùng nguy cơ lũ trên thế giới thành 3 nhóm mô hình chính:

Năm 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 9/2018
Số bài báo 59 59 76 81 89 141 143 151 173 171
  1. Nhóm mô hình thủy văn, thủy lực (Mô hình tất định): Sử dụng các phần mềm chuyên dụng như HEC-HMS, NAM, SSARR, HEC-RAS, MIKE 11, MIKE 21, ISIS, INFOWORKS kết hợp GIS. Điển hình là Nyarko (2002) kết hợp mô hình thủy văn và GIS phân vùng 5 cấp nguy cơ lũ tại Ghana nhưng chưa xét đến độ dốc và độ cao; Gholami và cộng sự (2016) ứng dụng GIS và HEC-RAS tại đô thị ở Iran chủ yếu dựa vào lưu lượng, độ sâu mà bỏ qua thảm phủ và thổ nhưỡng; Shahiri (2014) và Golshan (2016) sử dụng công thức Manning xác định hệ số nhám sườn dốc làm biên đầu vào cho HEC-RAS; Asare-Kyei và cộng sự (2015) tích hợp viễn thám, thủy lực và thống kê xây dựng chỉ số nguy cơ ngập lụt FHI tại Tây Phi.
  2. Nhóm mô hình thống kê: Sử dụng phương pháp hồi quy logistic đa biến (LR), tỷ lệ tần suất (FR), cây quyết định (DT) và mô hình tập hợp (ensemble models). Nghiên cứu phân vùng lũ tại Ý sử dụng hồi quy logistic với 4 yếu tố (mạng lưới sông, khoảng cách thoát nước, chênh cao); Pradhan (2010) kết hợp ảnh RADARSAT, GIS và hồi quy logistic phân vùng lũ tại lưu vực sông Kelartan (Malaysia); các nghiên cứu tích hợp chỉ số năng lượng dòng chảy (SPI) và chỉ số ẩm ướt địa hình (TWI).
  3. Nhóm mô hình suy nghiệm (Đánh giá đa tiêu chí - MCDM/AHP): Dựa trên phương pháp phân tích thứ bậc AHP của Thomas L. Saaty (1980, 1987), cùng các biến thể mờ FAHP, IR'AHP kết hợp GIS. Các tác giả quốc tế như Rahman và cộng sự (2015), Fernández và Lutz (2010), Mayaja và Srinivasa (2016 tại lưu vực Pampa Kerala với 8 yếu tố), Rahmati, Zeinivand & Besharat (2015 tại sông Yasooj, Iran với 4 yếu tố), Gigović và cộng sự (2017), Elsheikh và cộng sự (2015 tại Terengganu, Malaysia) đã lựa chọn các tổ hợp tiêu chí khác nhau (độ dốc, độ cao, lượng mưa, khoảng cách đến sông, địa chất, thổ nhưỡng, mật độ dân cư).

Các hướng nghiên cứu tại Việt Nam và lưu vực sông Lam

Tại Việt Nam, các phương pháp phân tích nhân tố, viễn thám, GIS và mô hình hóa cũng được triển khai:

  • Hướng nghiên cứu lũ quét, lũ ống: Cao Đăng Dư nghiên cứu nguyên nhân hình thành và thành lập bản đồ phân khu nguy cơ lũ quét; Nguyễn Lập Dân khảo sát vết lũ, địa mạo thủy văn xây dựng bản đồ phân vùng lũ quét, lũ bùn đá lưu vực sông Hương; Lê Huy Anh và cộng sự xây dựng bản đồ nguy cơ lũ quét tả ngạn và hữu ngạn sông Lam; Nguyễn Thị Mỹ Duyên và Hà Quang Hải phân vùng nguy cơ lũ quét tại huyện Hương Khê (Hà Tĩnh) dựa trên độ dốc, loại đất, sử dụng đất và độ che phủ rừng.
  • Hướng nghiên cứu lũ lớn: Trần Duy Kiều và Lê Đình Thành (2011) đề xuất 4 yếu tố phân vùng nguy cơ lũ lớn trên lưu vực sông Lam (mưa gây lũ lớn, độ dốc lưu vực, đỉnh lũ, tổng lượng lũ) theo chỉ số HFR và BFD với 5 cấp; Đề tài cấp Bộ Tài nguyên và Môi trường (2015) do Trần Duy Kiều chủ nhiệm sử dụng phân bố cực trị Gumbel phân vùng nguy cơ lũ lớn lưu vực sông Lam thành 3 cấp (thấp, trung bình, cao).
  • Hướng ứng dụng AHP và GIS: Trần Thị Phượng và cộng sự (2015) áp dụng AHP phân vùng nguy cơ lũ lụt lưu vực sông Hương; Lê Hoàng Tú và cộng sự (2013) tích hợp AHP và GIS phân vùng lũ tại lưu vực sông Vu Gia (Quảng Nam).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Tổng quan tài liệu chỉ ra rằng các nghiên cứu trên lưu vực sông Lam trước đây chủ yếu tập trung vào lũ quét ở phạm vi hẹp hoặc phân vùng lũ lớn bằng phương pháp thủy văn - thủy lực mà chưa thực hiện phân vùng nguy cơ lũ lụt tổng thể cho toàn lưu vực có xét đến các nhân tố mặt đệm địa hình. Đồng thời, các nghiên cứu sử dụng AHP trên thế giới và tại Việt Nam chưa đưa yếu tố chiều dài sườn dốc tương đối vào cấu trúc mô hình, mặc dù dòng chảy lũ trong lưu vực là kết quả trực tiếp của quá trình tập trung và vận chuyển nước dọc theo sườn dốc từ đỉnh xuống chân sườn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án tiếp cận bài toán phân vùng nguy cơ lũ dựa trên quan điểm mô hình hóa không gian. Nguy cơ lũ được biểu diễn dưới dạng hàm số toán học:

$$y = f(x)$$

Trong đó:

  • $y$: Nguy cơ lũ lụt tại một đơn vị không gian.
  • $x$: Tập hợp các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình sinh lũ và tập trung lũ (lượng mưa, độ dốc, thổ nhưỡng, lớp phủ, mật độ lưới sông, chiều dài sườn dốc tương đối).
  • $f$: Hàm toán học xác định mức độ tác động và sự tương tác giữa các nhân tố.

Trong mô hình suy nghiệm đa tiêu chí, điểm số nguy cơ lũ tổng hợp ($H$) tại mỗi ô lưới không gian được xác định theo công thức:

$$H = \sum_{j=1}^{n} w_j \cdot x_{ij}$$

Trong đó:

  • $w_j$: Trọng số của nhân tố ảnh hưởng thứ $j$, thỏa mãn $\sum w_j = 1$.
  • $x_{ij}$: Giá trị điểm phân cấp của lớp thứ $i$ thuộc nhân tố $j$.

Cơ sở toán học để xác định trọng số $w_j$ là phương pháp phân tích thứ bậc AHP (Analytic Hierarchy Process) của Thomas L. Saaty (1980). AHP thiết lập ma trận so sánh cặp giữa các tiêu chí theo thang điểm 1 – 9, tính toán vector riêng ứng với giá trị riêng cực đại ($\lambda_{\max}$), xác định chỉ số nhất quán $CI = \frac{\lambda_{\max} - n}{n - 1}$ và tỷ số nhất quán $CR = \frac{CI}{RI}$. Ma trận đạt yêu cầu khi $CR < 0{,}10$.

Về mặt địa mạo thủy văn, luận án phát triển lý thuyết dòng chảy sườn dốc: Chiều dài sườn dốc quyết định trực tiếp đến thời gian tập trung nước mặt ($t_s$) và hệ số dòng chảy tích tụ. Quá trình tích lũy nước tăng dần từ đỉnh sườn xuống chân sườn, do đó chiều dài sườn dốc tương đối là tham số vật lý quan trọng cần được chuẩn hóa không gian.

Phương pháp nghiên cứu

  1. Phương pháp phân tích và tổng hợp: Đánh giá nguyên nhân sinh lũ, cấu trúc các nhân tố ảnh hưởng và hệ thống hóa tài liệu khoa học trong và ngoài nước.
  2. Phương pháp kế thừa: Tiếp thu kết quả từ các đề tài nghiên cứu đã thực hiện trên lưu vực sông Lam (như đề tài TNMT.04/11-15, đề tài VT-UD.12).
  3. Phương pháp thống kê: Xử lý chuỗi số liệu lượng mưa, mực nước quan trắc tại các trạm khí tượng thủy văn giai đoạn 1961 – 2017.
  4. Phương pháp GIS và Viễn thám: Sử dụng các công cụ phân tích không gian trên nền tảng GIS để xây dựng mô hình số độ cao (DEM), chiết tách độ dốc, mật độ lưới sông, chiều dài sườn dốc tương đối, nội suy lượng mưa (IDW), chồng xếp bản đồ raster đa chỉ tiêu.
  5. Phương pháp mô hình hóa (AHP): Thiết lập ma trận so sánh cặp, tính toán trọng số cho các kịch bản 5 yếu tố và 6 yếu tố, chạy mô hình tích hợp không gian.
  6. Phương pháp chuyên gia: Tổ chức lấy ý kiến chuyên gia trong các lĩnh vực thủy văn, tài nguyên nước, trắc địa bản đồ và môi trường để xác định mức độ ưu tiên của các tiêu chí trong ma trận AHP.

Nguồn tư liệu và dữ liệu sử dụng

Nguồn dữ liệu địa lý dạng số tỷ lệ gốc 1:50.000 (năm 2015) bao gồm:

STT Dữ liệu dạng số Năm Tỷ lệ gốc Nguồn cung cấp
1 Bản đồ địa hình lưu vực sông Lam 2015 1:50.000 Trung tâm Vũ trụ Việt Nam
2 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất lưu vực sông Lam 2015 1:50.000 Sở TN&MT các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh
3 Bản đồ địa giới hành chính lưu vực sông Lam 2015 1:50.000 Sở TN&MT các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh
4 Bản đồ hình thái lưu vực sông Lam 2015 1:50.000 Sở TN&MT các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh
5 Bản đồ vị trí các trạm thủy văn 2015 1:50.000 Sở TN&MT các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh

Dữ liệu khí tượng thủy văn: Chuỗi số liệu lượng mưa trung bình tháng và năm giai đoạn 1961 – 2017 tại các trạm khí tượng; số liệu mực nước đỉnh lũ và cấp báo động tại 20 trạm thủy văn trên lưu vực (Mường Xén, Con Cuông, Vinh, Đô Lương, Quỳ Châu, Dừa, Hương Khê, Sơn Diệm, Hòa Duyệt, Chợ Tràng, Cửa Rào, Linh Cảm, Nam Đàn, Nghĩa Khánh, Quỳnh Lưu, Kỳ Anh, Quỳ Hợp, Hà Tĩnh, Kim Cương, Chu Lễ) trong các trận lũ ngày 17/10/2010, 16/10/2013 và 16/10/2016.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về mô hình hóa không gian trong phân vùng nguy cơ lũ. Tác giả phân tích chi tiết ưu điểm, nhược điểm và phạm vi áp dụng của 3 nhóm mô hình:

  • Mô hình tất định (thủy văn, thủy lực): Phản ánh chính xác bản chất vật lý của dòng chảy lũ, tính toán định lượng nhưng đòi hỏi số liệu biên chi tiết, khó thực hiện cho lưu vực rộng lớn và cấu trúc tham số cố định, khó điều chỉnh.
  • Mô hình thống kê (đa biến, logistic regression): Khách quan, chi phí thấp nhưng phụ thuộc hoàn toàn vào dữ liệu các trận lũ quá khứ, khó ngoại suy cho vùng lân cận và thường bỏ qua các ngưỡng giá trị vật lý.
  • Mô hình suy nghiệm (AHP kết hợp GIS): Có cấu trúc mở, không hạn chế số lượng biến đầu vào, dễ dàng hiệu chỉnh và tích hợp trên GIS, phù hợp với các lưu vực có diện tích lớn và thiếu dữ liệu quan trắc đồng bộ.

Để lựa chọn mô hình tối ưu cho lưu vực sông Lam, tác giả thực hiện định lượng hóa 4 tiêu chí đánh giá trên thang điểm 5 (từ 0 = Không thực hiện được đến 5 = Rất dễ thực hiện):

Loại mô hình Dễ dàng thực hiện trên GIS Tính mở Diện tích khu vực nghiên cứu Thu thập dữ liệu Tổng điểm
Mô hình tất định 5 1 2 2 10
Mô hình suy nghiệm 5 5 5 5 20
Mô hình thống kê 5 4 5 2 16

Kết quả đánh giá khẳng định mô hình suy nghiệm AHP kết hợp GIS là giải pháp phù hợp nhất với điều kiện thực tế của lưu vực sông Lam.

Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP AHP TRONG PHÂN VÙNG NGUY CƠ LŨ TRÊN LƯU VỰC

Chương 2 trình bày khung phương pháp luận AHP và cơ sở lựa chọn các nhân tố ảnh hưởng đến nguy cơ lũ:

  1. Cơ sở toán học của AHP: Quy trình chuẩn hóa ma trận, tính vector trọng số $W = (w_1, w_2, ..., w_n)^T$, tra bảng chỉ số ngẫu nhiên $RI$ theo số lượng phần tử $n$, tính toán tỷ số nhất quán $CR$.
  2. Phân tích các nhân tố thành phần: Luận chứng vai trò của lượng mưa/cường độ mưa (nguyên nhân sinh lũ chính), độ dốc địa hình (quy định vận tốc dòng chảy tràn), mật độ lưới sông/phân cắt ngang (khả năng tiêu thoát lũ), khoảng cách đến mạng lưới thoát nước, đặc tính thổ nhưỡng/tỷ lệ thấm nước, và lớp phủ thực vật/loại hình sử dụng đất (hệ số nhám cản trở dòng chảy).
  3. Luận giải yếu tố chiều dài sườn dốc tương đối: Tác giả phân tích cơ sở lý thuyết địa mạo thủy văn sườn dốc. Chiều dài sườn dốc xác định thời gian tập trung nước $t_s$ và dung tích tích trữ dòng chảy mặt. Luận án phân tích hệ số dòng chảy theo các loại hình sử dụng đất, thông số đặc trưng nhám trên sườn dốc và thời gian tập trung nước theo hệ số địa mạo sườn dốc để chứng minh chiều dài sườn dốc tương đối là tham số bắt buộc phải được tính đến trong bài toán phân vùng lũ quy mô lưu vực.

Chương 3: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP AHP XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHÂN VÙNG NGUY CƠ LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG LAM

Chương 3 là phần thực nghiệm chính của luận án trên toàn bộ lưu vực sông Lam:

  1. Đặc điểm khu vực nghiên cứu: Phân tích điều kiện địa hình phân cắt mạnh, mạng lưới sông ngòi dạng nan quạt ở thượng nguồn và dồn về hạ lưu, đặc điểm thổ nhưỡng, hiện trạng lớp phủ và chuỗi số liệu khí tượng thủy văn 1961 – 2017.
  2. Xây dựng bảng phân cấp các yếu tố ảnh hưởng: Chuẩn hóa thang điểm đánh giá cho 6 lớp thông tin chuyên đề:
    • Phân cấp lượng mưa trung bình năm.
    • Phân cấp độ dốc địa hình.
    • Phân cấp nhóm thổ nhưỡng theo khả năng thấm.
    • Phân cấp lớp phủ bề mặt/sử dụng đất.
    • Phân cấp mật độ lưới sông ($km/km^2$).
    • Phân cấp chiều dài sườn dốc tương đối.
  3. Tính toán ma trận trọng số AHP cho 2 trường hợp:
    • Trường hợp 1 (5 nhân tố truyền thống): Lượng mưa, độ dốc, thổ nhưỡng, lớp phủ, mật độ lưới sông. Xây dựng ma trận so sánh cặp, ma trận chuẩn hóa, tính trọng số và kiểm tra tỷ số nhất quán ($CR < 0{,}10$).
    • Trường hợp 2 (6 nhân tố - bổ sung chiều dài sườn dốc tương đối): Tái lập ma trận so sánh cặp với sự tham gia của chiều dài sườn dốc tương đối, xác định bộ trọng số mới và kiểm tra điều kiện nhất quán của ma trận chuyên gia.
  4. Thành lập bản đồ phân vùng và kiểm chứng:
    • Xây dựng hệ thống bản đồ đơn tính dạng raster cho từng nhân tố.
    • Chồng xếp không gian thành lập Bản đồ phân vùng nguy cơ lũ lưu vực sông Lam theo các cấp độ nguy cơ.
    • Thống kê diện tích các vùng nguy cơ lũ tương ứng giữa kịch bản 5 yếu tố và kịch bản 6 yếu tố.
    • Đánh giá độ tin cậy của mô hình bằng cách đối soát vị trí và diện tích các vùng nguy cơ cao với mực nước thực đo và cấp báo động lũ tại 20 trạm thủy văn trong các trận lũ lịch sử ngày 17/10/2010, 16/10/2013 và 16/10/2016.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Luận án đã bổ sung và hoàn thiện cơ sở phương pháp luận về việc lựa chọn mô hình hóa không gian trong phân vùng nguy cơ lũ; khẳng định tính ưu việt của phương pháp phân tích thứ bậc AHP kết hợp công nghệ GIS trong việc giải quyết bài toán phân vùng nguy cơ lũ tại các lưu vực sông lớn, địa hình phức tạp và có hạn chế về chuỗi dữ liệu thủy lực chi tiết.
  2. Luận án khẳng định và xác lập chiều dài sườn dốc tương đối là một tham số độc lập quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tập trung dòng chảy sườn và hình thành lũ. Việc tích hợp chiều dài sườn dốc tương đối vào cấu trúc mô hình AHP 6 nhân tố giúp phản ánh sát thực tế cơ chế địa mạo thủy văn, nâng cao mức độ chi tiết và độ tin cậy của bản đồ phân vùng nguy cơ lũ.

Ý nghĩa thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu không gian và hệ thống bản đồ phân vùng nguy cơ lũ chi tiết trên lưu vực sông Lam, phục vụ trực tiếp cho công tác cảnh báo sớm, quy hoạch phòng chống giảm nhẹ thiên tai của các tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh và Thanh Hóa.
  2. Quy trình công nghệ và mô hình phân vùng nguy cơ lũ xây dựng trong luận án có khả năng chuyển giao, áp dụng hiệu quả cho các lưu vực sông khác có điều kiện tự nhiên, địa hình và chế độ thủy văn tương đồng dọc theo dải ven biển miền Trung Việt Nam.
  3. Cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị thực tiễn cho các cơ quan quản lý tài nguyên môi trường, cơ quan khí tượng thủy văn và các tổ chức điều phối phòng chống thiên tai cấp vùng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Mô hình suy nghiệm AHP về bản chất vẫn mang tính bán định lượng, việc xác định các giá trị trong ma trận so sánh cặp giữa các tiêu chí còn phụ thuộc vào kinh nghiệm chuyên môn và tính chủ quan của đội ngũ chuyên gia được tham vấn.
  • Nguồn dữ liệu không gian đầu vào sử dụng bản đồ nền tỷ lệ 1:50.000 và mô hình số độ cao DEM hiện có; mật độ các trạm đo mưa và trạm quan trắc thủy văn phân bố chưa đồng đều trên toàn bộ lưu vực, đặc biệt là khu vực thượng nguồn giáp biên giới, đòi hỏi phải sử dụng phương pháp nội suy không gian.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu ứng dụng các nguồn dữ liệu viễn thám có độ phân giải cao hơn (ảnh radar giao thoa InSAR, dữ liệu quét địa hình LiDAR) để nâng cao độ chính xác của các lớp thông tin địa hình và mô hình số độ cao.
  • Mở rộng tích hợp mô hình phân vùng không gian AHP với các mô hình thủy văn - thủy lực thời gian thực và số liệu dự báo mưa hạn ngắn nhằm phục vụ công tác cảnh báo lũ tức thời (near real-time flood warning).
  • Bổ sung thêm các tiêu chí về cơ sở hạ tầng, mật độ dân sinh và tính dễ bị tổn thương kinh tế - xã hội để nâng cấp từ bản đồ phân vùng nguy cơ lũ (hazard) thành bản đồ rủi ro lũ lụt toàn diện (flood risk).

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho nhiều nhóm đối tượng và đơn vị chuyên môn:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, Địa tin học (GIS), Viễn thám, Thủy văn học, Kỹ thuật Tài nguyên nước và Quản lý Môi trường. Phần đáng tham khảo nhất là phương pháp luận lượng hóa lựa chọn mô hình, cơ sở toán học của thuật toán AHP và kỹ thuật chiết tách tham số chiều dài sườn dốc tương đối trên GIS.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách: Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn các cấp, Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia, Viện Quy hoạch Thủy lợi, Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh Bắc Trung Bộ. Bản đồ phân vùng nguy cơ lũ cung cấp thông tin trực quan phục vụ việc quy hoạch phân bố dân cư, xây dựng công trình hạ tầng và thiết lập các kịch bản sơ tán dân cư khi có lũ lớn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tác giả luận án là ai, thuộc chuyên ngành nào và người hướng dẫn khoa học gồm những ai? Tác giả luận án là nghiên cứu sinh Đặng Tuyết Minh, thực hiện luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ (mã số: 9520503) tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội (năm 2019). Người hướng dẫn khoa học gồm: TS. Vũ Anh Tuân (Trung tâm Vũ trụ Việt Nam, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và PGS.TS. Phạm Công Khải (Trường Đại học Mỏ - Địa chất).

2. Tại sao luận án lựa chọn mô hình suy nghiệm (AHP) thay vì mô hình tất định hay mô hình thống kê? Qua đánh giá định lượng 4 tiêu chí (khả năng thực hiện trên GIS, tính mở, diện tích khu vực nghiên cứu, khả năng thu thập dữ liệu), mô hình suy nghiệm đạt 20/20 điểm, vượt trội so với mô hình thống kê (16/20 điểm) và mô hình tất định (10/20 điểm). Mô hình tất định đòi hỏi số liệu biên thủy lực chi tiết và khó áp dụng cho lưu vực rộng lớn; mô hình thống kê gặp khó khăn do thiếu dữ liệu đồng bộ các trận lũ quá khứ; trong khi mô hình suy nghiệm AHP có tính mở cao, dễ điều chỉnh, xử lý tốt trên GIS và phù hợp với lưu vực sông Lam quy mô lớn.

3. Nhân tố mới nào được đưa vào mô hình phân vùng nguy cơ lũ và có ý nghĩa vật lý như thế nào? Nhân tố mới được tác giả đưa vào mô hình là chiều dài sườn dốc tương đối. Về mặt địa mạo thủy văn, sườn dốc là đối tượng trực tiếp tiếp nhận, tích tụ và vận chuyển nước mặt; vai trò tích tụ dòng chảy tăng dần từ đỉnh sườn xuống chân sườn. Việc bổ sung yếu tố này giúp mô hình hóa chính xác hơn quá trình tập trung dòng chảy sườn, làm tăng độ chi tiết và độ tin cậy của bản đồ phân vùng.

4. Dữ liệu khí tượng thủy văn nào được sử dụng để chạy mô hình và kiểm chứng kết quả? Luận án sử dụng chuỗi số liệu lượng mưa trung bình tháng, năm tại các trạm KTTV giai đoạn 1961 – 2017. Để kiểm chứng độ tin cậy của bản đồ phân vùng nguy cơ lũ, tác giả sử dụng số liệu mực nước thực đo và cấp báo động tại 20 trạm thủy văn trên lưu vực sông Lam trong 3 đợt lũ lớn: ngày 17/10/2010, ngày 16/10/2013 và ngày 16/10/2016.

5. Luận án đã so sánh những kịch bản tính toán trọng số nào trong phương pháp AHP? Luận án tiến hành so sánh hai kịch bản tính toán trọng số: Kịch bản 1 gồm 5 yếu tố ảnh hưởng truyền thống (lượng mưa, độ dốc, thổ nhưỡng, lớp phủ, mật độ lưới sông) và Kịch bản 2 gồm 6 yếu tố ảnh hưởng (bổ sung thêm chiều dài sườn dốc tương đối). Kết quả cho thấy kịch bản 6 yếu tố nâng cao mức độ phân hóa không gian và phản ánh sát thực tế ngập lụt hơn.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Đặng Tuyết Minh đã giải quyết trọn vẹn bài toán xác lập cơ sở khoa học và ứng dụng mô hình hóa không gian trong phân vùng nguy cơ lũ lụt trên lưu vực sông Lam. Bằng việc kết hợp phương pháp phân tích thứ bậc AHP và công nghệ GIS, nghiên cứu đã chứng minh tính hiệu quả của mô hình suy nghiệm đối với lưu vực sông lớn, đồng thời khẳng định chiều dài sườn dốc tương đối là tham số mới có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của phân vùng lũ. Kết quả nghiên cứu là sản phẩm khoa học có giá trị lý luận và thực tiễn cao, đóng góp cơ sở dữ liệu tin cậy cho công tác cảnh báo, quy hoạch và giảm thiểu thiệt hại do thiên tai lũ lụt tại khu vực Bắc Trung Bộ.