Tổng quan nghiên cứu

Lũ lụt là một trong những loại hình thiên tai cực đoan gây ra những tổn thất nặng nề nhất về tính mạng, sinh kế và cơ sở hạ tầng tại khu vực miền Trung Việt Nam. Điển hình như trận lũ lịch sử cuối năm 2016 đã làm ngập và hư hại hơn 300.000 ngôi nhà, cuốn trôi 258.200 ha hoa màu, gây thiệt hại kinh tế ước tính trên 8.500 tỷ đồng trên toàn vùng. Huyện Đức Thọ, tỉnh Hà Tĩnh là khu vực trung du đồng bằng nằm ven sông La và hữu ngạn sông Lam, thường xuyên đối mặt với ngập lụt nghiêm trọng; riêng đợt lũ tháng 10 năm 2016 đã làm 660 hộ dân bị ngập sâu từ 0,2 m đến 0,5 m, gây ngập úng và gãy đổ 140,9 ha ngô vụ đông, đồng thời làm mất trắng 81 ha diện tích nuôi trồng thủy sản.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm xuất phát từ hạn chế của các phương pháp quan trắc truyền thống vốn chỉ ghi nhận mực nước tại các trạm thủy văn đơn lẻ, chưa thể hiện được bức tranh ngập lụt liên tục theo không gian đa chiều. Mục tiêu cụ thể của luận văn là ứng dụng phương pháp nội suy không gian Inverse Distance Weighting (IDW) trong môi trường hệ thống thông tin địa lý (GIS) để xây dựng bản đồ ngập lụt chi tiết sau trận lũ năm 2016 tại huyện Đức Thọ, tỉnh Hà Tĩnh. Trên cơ sở đó, đề tài tiến hành bóc tách, thống kê định lượng mức độ ngập và diện tích ngập đối với từng loại hình sử dụng đất trên địa bàn toàn huyện.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện rõ qua việc cung cấp công cụ số hóa phục vụ dự báo rủi ro, hỗ trợ công tác quy hoạch tài nguyên đất thích ứng biến đổi khí hậu. Nghiên cứu đã lượng hóa phạm vi ảnh hưởng trên diện tích ngập lụt tổng thể lên tới 9.949,67 ha, tạo cơ sở thực chứng chuẩn xác cho chính quyền địa phương trong việc xây dựng phương án phòng chống thiên tai và di dời dân cư an toàn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết không gian địa lý và các mô hình toán học tích hợp trong hệ thống thông tin địa lý (GIS). Cơ sở lý thuyết then chốt bao gồm:

  • Lý thuyết phân tích không gian trong GIS: Tiếp cận theo quan điểm của Burrough (1986) và Clarke (1995), GIS là hệ thống quản trị dữ liệu có tham chiếu không gian mạnh mẽ, cho phép thực hiện các phép chồng xếp đa lớp (Map Overlay) và phân tích lân cận nhằm giải quyết bài toán biến động thực địa.
  • Lý thuyết nội suy không gian và mô hình nghịch đảo khoảng cách có trọng số (IDW): Dựa trên định luật địa lý thứ nhất của Tobler, các đối tượng ở gần nhau có độ tương đồng lớn hơn các đối tượng ở xa. Mô hình IDW tính toán giá trị độ sâu ngập tại các điểm chưa biết thông qua trung bình trọng số khoảng cách từ các điểm quan trắc lân cận.
  • Hệ thống khái niệm chính:
    • Vết lũ (Flood marks): Dấu vết ngập cao nhất được xác định tại thực địa sau khi lũ rút.
    • Mô hình số độ cao (Digital Elevation Model - DEM): Cấu trúc raster thể hiện cao trình bề mặt tự nhiên.
    • Phân vùng ngập lụt (Flood Inundation Mapping): Quá trình xác định phạm vi không gian và độ sâu ngập lụt.
    • Thích ứng sử dụng đất: Định hướng bố trí các loại hình sử dụng đất phù hợp với kịch bản rủi ro thiên tai.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm dữ liệu thứ cấp (bản đồ địa chính, bản đồ hiện trạng sử dụng đất, mô hình số độ cao DEM, chuỗi số liệu khí tượng thủy văn) và dữ liệu sơ cấp được thu thập thực tế tại địa bàn huyện Đức Thọ sau trận lũ tháng 10 năm 2016. Quá trình phân tích được thực hiện xuyên suốt trong năm 2017 đến năm 2018 bằng phần mềm ArcGIS chuyên dụng.

Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Nghiên cứu thu thập tổng cộng 266 điểm vết lũ thực tế có tọa độ địa lý và độ sâu ngập rõ ràng từ Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh Hà Tĩnh và UBND huyện Đức Thọ. Tác giả áp dụng phương pháp chọn mẫu phân tầng ngẫu nhiên để chia 266 điểm thành hai tập dữ liệu độc lập:

  • Tập mẫu huấn luyện (Training Points): Bao gồm 240 điểm (chiếm 90,2% tổng số mẫu), được sử dụng trực tiếp để chạy thuật toán nội suy không gian IDW.
  • Tập mẫu tham chiếu kiểm định (Reference Points): Bao gồm 26 điểm (chiếm 9,8% tổng số mẫu, tương đương gần 10%), được chọn ngẫu nhiên phân bố đều trên toàn huyện và hoàn toàn không tham gia vào quá trình nội suy nhằm đảm bảo tính khách quan.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Phương pháp IDW được lựa chọn vì địa hình huyện Đức Thọ chủ yếu là đồng bằng trung du tương đối bằng phẳng, độ chênh cao bề mặt không quá đột ngột. So với các mô hình thủy văn thủy lực 1D/2D đòi hỏi lượng lớn thông số mặt cắt phức tạp và chi phí vận hành cao, phương pháp nội suy IDW cho tốc độ xử lý nhanh, tính toán trực tiếp từ vết lũ thực tế với độ chính xác cao. Độ tin cậy của mô hình nội suy được kiểm định chặt chẽ qua hệ số xác định bội R2, sai số trung phương (RMSE) và sai số trung bình phần trăm tuyệt đối (MAPE).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả phân tích không gian và chồng xếp bản đồ cho thấy trận lũ năm 2016 đã gây ngập lụt nghiêm trọng trên quy mô toàn huyện Đức Thọ, phân hóa rõ rệt giữa hai khu vực ngăn cách bởi đê La Giang:

  • Vùng ngoài đê La Giang: Tổng diện tích ngập lụt là 2.945,93 ha, chiếm tới 66,99% tổng diện tích tự nhiên của vùng ngoài đê. Độ sâu ngập tại khu vực này chủ yếu ở mức trên 2 m. Trong cơ cấu đất bị ngập ngoài đê, đất nông nghiệp chiếm diện tích lớn nhất với 1.916,26 ha (tương đương 65,05% diện tích ngập ngoài đê), đất phi nông nghiệp ngập 946,28 ha (chiếm 32,12%), và đất chưa sử dụng ngập 83,39 ha (chiếm 2,83%). Xét theo đơn vị hành chính, xã Liên Minh là địa bàn chịu thiệt hại nặng nề nhất ngoài đê với diện tích ngập lên đến 451,13 ha.
  • Vùng trong đê La Giang: Tổng diện tích đất bị ngập đạt 7.003,74 ha, chiếm khoảng 43,91% tổng diện tích đất tự nhiên vùng trong đê, phần lớn cũng có độ sâu ngập vượt mức 2 m. Cơ cấu đất ngập bao gồm: đất nông nghiệp chịu ảnh hưởng 5.314,46 ha (chiếm 75,88% tổng diện tích ngập trong đê), đất phi nông nghiệp ngập 1.627,65 ha (chiếm 23,24%), và đất chưa sử dụng ngập 61,64 ha (chiếm 0,88%). Xã Đức Đồng ghi nhận diện tích ngập lớn nhất vùng trong đê với 615,91 ha.
  • Tổng hợp toàn huyện: Tổng diện tích đất bị chìm trong nước lũ đạt 9.949,67 ha. Trong đó, đất nông nghiệp là loại hình bị tổn thương sâu sắc nhất với tổng cộng 7.230,72 ha bị ngập úng, chiếm 72,67% tổng diện tích ngập toàn huyện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ngập sâu trên diện rộng tại Đức Thọ là do tổ hợp thời tiết cực đoan: mưa lớn kéo dài trên lưu vực kết hợp với lũ từ thượng nguồn sông Ngàn Sâu và sông Ngàn Phố đổ dồn về sông La. Vùng ngoài đê nằm trong hành lang thoát lũ tự nhiên nên tỷ lệ ngập đạt mức rất cao (66,99%). Trong khi đó, vùng trong đê dù có đê La Giang ngăn lũ chính nhưng địa hình có nhiều ô trũng cục bộ, hệ thống cống tiêu dưới đê không kịp thoát nước khi mực nước ngoài sông dâng cao, dẫn đến ngập úng nội đồng trên 7.003,74 ha.

So sánh với các nghiên cứu sử dụng mô hình thủy lực 2D tại các lưu vực sông miền Trung, phương pháp nội suy IDW dựa trên 266 điểm vết lũ cho ra kết quả phân vùng ngập có độ tương đồng không gian trên 85%, trong khi tiết kiệm đáng kể thời gian và chi phí tính toán. Về mặt trình bày khoa học, toàn bộ kết quả phân tích có thể được biểu diễn trực quan thông qua bản đồ phân vùng vector polygon kết hợp bảng thống kê chi tiết theo 3 nhóm đất chính và biểu đồ cột so sánh tỷ lệ ngập giữa 7 xã vùng ngoài đê với các xã nội đồng.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt và nâng cao hiệu quả quản lý đất đai tại huyện Đức Thọ, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp trọng tâm:

  1. Điều chỉnh cơ cấu mùa vụ và chuyển đổi loại hình sử dụng đất nông nghiệp: Chuyển đổi 1.916,26 ha đất nông nghiệp ngập sâu trên 2 m tại 7 xã ngoài đê La Giang sang canh tác các giống lúa, hoa màu ngắn ngày thu hoạch trước tháng 9, hoặc phát triển mô hình nuôi thủy sản nước ngọt phù hợp chu kỳ lũ; do Phòng Nông nghiệp và Phát triển nông thôn huyện Đức Thọ chủ trì thực hiện giai đoạn 2018–2021.
  2. Nâng cấp hạ tầng tiêu thoát nước và công trình phòng hộ: Thực hiện duy tu, kiên cố hóa 28 km hệ thống đê La Giang, xây dựng thêm các trạm bơm tiêu úng công suất lớn tại vùng trũng xã Đức Đồng và các xã nội đê nhằm giảm thời gian ngập úng nội đồng xuống dưới 3 ngày; do UBND huyện Đức Thọ phối hợp Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Hà Tĩnh triển khai trong giai đoạn 2019–2023.
  3. Số hóa cơ sở dữ liệu và tích hợp bản đồ ngập lụt vào hệ thống WebGIS: Xây dựng hệ thống bản đồ số trực tuyến tích hợp kịch bản ngập lụt IDW và lắp đặt thêm 15 trạm đo mực nước tự động dọc sông La để cảnh báo sớm cho nhân dân trước 24 đến 48 giờ; do Phòng Tài nguyên và Môi trường huyện Đức Thọ vận hành từ năm 2020.
  4. Rà soát quy hoạch đất ở và di dời dân cư vùng nguy cơ cao: Tổ chức di dời 660 hộ dân sống tại các điểm trũng thấp ngoài bãi sông thuộc xã Liên Minh đến các khu tái định cư có cao trình an toàn trên 4,5 m, bảo đảm an toàn tính mạng trong mùa mưa bão; do UBND tỉnh Hà Tĩnh và UBND huyện Đức Thọ phối hợp hoàn thiện trước năm 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

  • Cán bộ quản lý nhà nước về tài nguyên đất đai và nông nghiệp: Cung cấp cơ sở khoa học định lượng để tích hợp bản đồ rủi ro ngập lụt vào quy hoạch sử dụng đất cấp huyện định kỳ 5 năm, giúp bố trí các công trình dân sinh và sản xuất tránh xa vùng ngập sâu trên 2 m.
  • Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn: Cung cấp số liệu chính xác về các điểm ngập sâu tại xã Liên Minh (451,13 ha) và xã Đức Đồng (615,91 ha) để xây dựng kịch bản ứng phó, bố trí lực lượng cứu hộ và tuyến đường di tản an toàn khi xảy ra thiên tai.
  • Giảng viên, học viên cao học và nhà nghiên cứu chuyên ngành Quản lý đất đai, Hệ thống thông tin địa lý (GIS): Sử dụng tài liệu làm nguồn tham khảo thực chứng về quy trình nội suy không gian IDW từ dữ liệu vết lũ, phương pháp xử lý 266 điểm khảo sát và kỹ thuật kiểm định sai số bằng RMSE và R2.
  • Kỹ sư quy hoạch xây dựng và hạ tầng giao thông nông thôn: Tham khảo dữ liệu cao trình mức ngập thực tế để tính toán thiết kế cốt nền đường giao thông, đê bao ngăn lũ và hệ thống cống thoát nước đạt chuẩn an toàn kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp nội suy IDW có ưu thế gì trong việc xây dựng bản đồ ngập lụt? Thuật toán IDW tận dụng trực tiếp giá trị thực đo từ 266 điểm vết lũ để ước tính cao độ ngập cho các khu vực lân cận dựa trên khoảng cách địa lý. Phương pháp này tối ưu hóa thời gian xử lý, giảm thiểu yêu cầu về thông số đầu vào phức tạp nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy cao trên địa hình đồng bằng.

  2. Độ chính xác của bản đồ ngập lụt được đánh giá thông qua tiêu chí nào? Độ chính xác được kiểm định độc lập bằng 26 điểm tham chiếu không tham gia vào quá trình nội suy. Nghiên cứu sử dụng các chỉ số thống kê gồm hệ số xác định bội R2, sai số trung phương RMSE và sai số tuyệt đối MAPE để chứng minh mức độ khớp cao giữa mô hình dự báo và số liệu ngập thực tế.

  3. Tại sao tỷ lệ diện tích ngập ở vùng ngoài đê La Giang lại cao hơn vùng trong đê? Vùng ngoài đê nằm sát lòng dẫn sông La và sông Lam, là hành lang thoát lũ tự nhiên nên chịu ảnh hưởng trực tiếp khi mực nước sông dâng cao, dẫn đến 66,99% diện tích tự nhiên bị ngập. Vùng trong đê được che chắn bởi hệ thống đê kiên cố nên tỷ lệ ngập thấp hơn, chỉ chiếm 43,91% diện tích.

  4. Loại đất nào chịu tổn thất lớn nhất trong trận lũ năm 2016 tại Đức Thọ? Đất nông nghiệp là đối tượng chịu thiệt hại nghiêm trọng nhất với 7.230,72 ha bị ngập úng trên toàn huyện (gồm 1.916,26 ha ngoài đê và 5.314,46 ha trong đê). Tình trạng ngập sâu trên 2 m đã làm hư hại nặng nề diện tích hoa màu vụ đông và hệ thống cây trồng ngắn ngày.

  5. Bản đồ ngập lụt này có thể ứng dụng cho các trận lũ tiếp theo như thế nào? Bản đồ đóng vai trò là kịch bản chuẩn cho các trận lũ có cường độ tương đương năm 2016. Khi kết hợp với số liệu đo mưa và mực nước thời gian thực từ trạm thủy văn Linh Cảm, cơ quan quản lý có thể nội suy nhanh chóng phạm vi ngập để phát lệnh cảnh báo sớm cho từng thôn xóm.

Kết luận

  • Luận văn đã ứng dụng thành công phương pháp nội suy không gian IDW trong GIS để thành lập bản đồ ngập lụt chi tiết trên địa bàn huyện Đức Thọ, tỉnh Hà Tĩnh.
  • Định lượng chính xác 9.949,67 ha đất bị ngập trong đợt lũ 2016, bóc tách cụ thể phạm vi ngập của 2.945,93 ha vùng ngoài đê và 7.003,74 ha vùng trong đê La Giang.
  • Xác định đất nông nghiệp là loại hình sử dụng đất chịu tổn thất lớn nhất với 7.230,72 ha bị ngập, tập trung sâu trên 2 m tại các xã trọng điểm như Liên Minh và Đức Đồng.
  • Chứng minh tính hiệu quả và độ tin cậy vượt trội của thuật toán nội suy IDW khi áp dụng cho vùng đồng bằng trung du có mạng lưới điểm vết lũ đầy đủ.
  • Đề xuất 4 nhóm giải pháp quản lý đất đai và công trình hạ tầng đồng bộ với lộ trình thực hiện từ năm 2018 đến năm 2025.

Đóng góp lớn nhất của nghiên cứu là cung cấp một giải pháp công nghệ GIS chi phí thấp nhưng đạt độ chính xác cao trong việc số hóa dữ liệu thiên tai phục vụ quy hoạch đất đai. Hướng nghiên cứu tiếp theo cần mở rộng thử nghiệm phương pháp IDW kết hợp mô hình Kriging trên các dạng địa hình đồi núi phức tạp hơn trong giai đoạn 2026–2030. Các nhà quản lý, nhà nghiên cứu và cơ quan chuyên môn hãy liên hệ khai thác toàn bộ cơ sở dữ liệu bản đồ này để nâng cao năng lực ứng phó thiên tai tại địa phương.