Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Hà Giang là trung tâm chính trị, kinh tế và văn hóa của tỉnh Hà Giang với tổng diện tích tự nhiên đạt 13.345,9 ha, quy mô dân số trên 56.425 người và mật độ dân số trung bình 415 người/km². Tốc độ đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ với tỷ lệ dân cư thành thị chiếm 75,84%, tập trung phần lớn tài sản, cơ sở hạ tầng trọng điểm và các hoạt động kinh tế thương mại dịch vụ chiếm tới 75,68% cơ cấu sản xuất. Nằm lọt giữa vùng thung lũng hẹp ven sông Lô và sông Miện với địa hình núi cao chia cắt mạnh từ 100 m đến trên 700 m, thành phố tiếp giáp trực tiếp vùng tâm mưa Bắc Quang có lượng mưa năm cao nhất lên đến 4.740 mm/năm và lượng mưa ngày vượt 400 mm. Vị trí địa lý đặc thù này khiến đô thị thường xuyên phải đối mặt với thảm họa ngập lụt khốc liệt.

Chuỗi dữ liệu quan trắc lịch sử trong hơn 40 năm ghi nhận nhiều trận lũ kinh hoàng làm tê liệt thành phố: trận lũ lịch sử năm 1969 với mực nước đỉnh lũ đạt 105,57 m (vượt cấp Báo động III 2,57 m), lũ năm 1971 đạt 104,44 m, lũ năm 1986 đạt 104,07 m, lũ tháng 9/2014 đạt 103,46 m gây ngập sâu trên 1,0 m làm tê liệt 2 km quốc lộ huyết mạch, và trận lũ tháng 6/2018 đạt 102,91 m. Trước thực trạng các công trình kè hiện hữu mới chỉ bảo vệ cục bộ khoảng 4,75 km bờ sông và chưa có nghiên cứu tiêu chuẩn thoát lũ hoàn chỉnh, đề tài được triển khai nhằm mô phỏng chính xác chế độ thủy lực dòng chảy lũ, xây dựng bản đồ ngập lụt số hóa cho 23 kịch bản tổ hợp mưa lũ bất lợi và đề xuất hệ thống giải pháp công trình, phi công trình toàn diện. Nghiên cứu mang ý nghĩa then chốt giúp giảm thiểu thiệt hại kinh tế ước tính hàng chục tỷ đồng mỗi mùa mưa bão, bảo vệ an toàn tính mạng cho hơn 42.000 cư dân vùng nội thị thuộc 5 phường trọng điểm (Trần Phú, Minh Khai, Nguyễn Trãi, Quang Trung, Ngọc Hà) và hỗ trợ công tác quy hoạch không gian đô thị bền vững đến năm 2030.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng vững chắc của thủy lực học công trình và quản lý rủi ro thiên tai tổng hợp. Hai lý thuyết trụ cột được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết dòng chảy không ổn định trong mạng lưới sông (Saint-Venant 1D): Mô tả sự biến thiên của lưu lượng dòng chảy $Q$ ($m^3/s$) và mực nước $Z$ ($m$) theo không gian và thời gian thông qua hệ phương trình đạo hàm riêng gồm phương trình liên tục $\frac{\partial Q}{\partial x} + \frac{\partial A}{\partial t} = q$ và phương trình động lượng $\frac{\partial Q}{\partial t} + \frac{\partial}{\partial x}(\frac{\beta Q^2}{A}) + gA\frac{\partial Z}{\partial x} + g\frac{Q|Q|}{C^2 R A} = 0$.
  2. Lý thuyết thủy động lực học 2 chiều trên lưới linh hoạt (2D Shallow Water Equations): Mô phỏng chi tiết trường vận tốc dòng chảy tràn bãi, hướng lan truyền sóng lũ và độ sâu ngập trên bề mặt địa hình đô thị dựa trên định luật bảo toàn khối lượng và biến thiên động lượng 2 chiều theo thời gian thực.

Khung phân tích tích hợp 4 khái niệm khoa học then chốt: chế độ dòng chảy bãi tràn đô thị, tần suất lũ thiết kế theo chu kỳ lặp lại (P%), cao trình khống chế ngập lụt và cơ chế tương tác thủy lực liên kết 1D-2D giữa lòng dẫn chính với vùng trũng ngập ven sông.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu bao gồm mô hình số độ cao địa hình (DEM/SRTM), tài liệu trắc dọc, trắc ngang cập nhật của hệ thống sông Lô, sông Miện, suối Châng và chuỗi số liệu khí tượng thủy văn thực đo từ năm 1969 đến năm 2018 tại trạm thủy văn Hà Giang cùng các trạm phụ cận như Đạo Đức, Vĩnh Tuy, Bắc Quang.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao trùm toàn bộ chuỗi số liệu của 6 trận lũ điển hình phục vụ hiệu chỉnh, kiểm định mô hình (trận lũ năm 1969, 1971, 1986, 2008, 2014, 2018) cùng 23 kịch bản tính toán tổ hợp toàn diện. Phương pháp chọn mẫu áp dụng nguyên tắc tổ hợp xác suất thủy văn bất lợi: kết hợp 4 cấp tần suất lũ dòng chính sông Lô (P = 1%, 2%, 5%, 10%) với 5 cấp tần suất mưa trên các lưu vực nhánh nội thành (P = 1%, 2%, 5%, 10%, 50%) tạo thành 20 kịch bản ngập lụt, bổ sung 3 kịch bản tương ứng các cấp Báo động I, Báo động II và Báo động III tại trạm Hà Giang.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Nghiên cứu ứng dụng bộ công cụ phần mềm tiên tiến MIKE 11 (mô hình 1D giải theo sơ đồ sai phân ẩn 6 điểm Abbott-Ionescu) liên kết động với MIKE 21 FM (mô hình 2D trên lưới phi cấu trúc Flexible Mesh) thông qua module MIKE FLOOD và phần mềm ArcGIS. Việc lựa chọn phương pháp này xuất phát từ đòi hỏi thực tiễn: mô hình 1D đơn thuần không thể mô tả chính xác sự lan truyền dòng tràn phức tạp trên bề mặt đô thị gồ ghề, trong khi lưới linh hoạt của MIKE 21 FM cho phép chia nhỏ mắt lưới dày tại các khúc sông cong, khu dân cư mật độ cao và làm thưa ở vùng núi thoải, giúp tăng độ chính xác lên gấp 2 lần và giảm 30% dung lượng tính toán so với lưới ô vuông cố định. Toàn bộ quy trình thiết lập sơ đồ, hiệu chỉnh thông số và chạy mô phỏng 23 kịch bản được hoàn thành trong giai đoạn 2019 - 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng thủy lực và số hóa bản đồ ngập lụt mang lại những phát hiện quan trọng có độ chính xác cao:

  • Độ tin cậy của mô hình: Quá trình hiệu chỉnh thông số mô hình với trận lũ tháng 8/2008 và kiểm định với trận lũ tháng 6/2018 cho thấy đường quá trình mực nước tính toán bám rất sát chuỗi số liệu thực đo tại các trạm Đạo Đức, Vĩnh Tuy và Hà Giang; chỉ số sai số mực nước đỉnh lũ kiểm định đạt dưới 0,05 m (5 cm), khẳng định bộ thông số thủy lực hoàn toàn tin cậy.
  • Quy mô ngập lụt kịch bản cực đoan: Với kịch bản lũ tần suất P = 1% kết hợp mưa P = 1%, mực nước sông Lô dâng cao trên 105,5 m, diện tích ngập lụt toàn thành phố mở rộng lên tới 358,4 ha. Trong đó, 3 phường trung tâm chịu tổn thương nặng nề nhất gồm phường Trần Phú (ngập 72,3 ha), phường Minh Khai (ngập 88,6 ha) và phường Nguyễn Trãi (ngập 94,1 ha), nhiều điểm trũng sâu ghi nhận độ sâu ngập từ 1,5 m đến 2,8 m.
  • Tốc độ gia tăng diện tích ngập theo cấp báo động: Khi mực nước sông Lô chuyển từ cấp Báo động I (101,0 m) lên Báo động II (103,0 m), tổng diện tích ngập đô thị tăng thêm 58%; khi chạm mức Báo động III (103,0 m lên 105,0 m), diện tích ngập tăng vọt 112% và lan rộng sâu vào các khu dân cư cách xa bờ sông trên 500 m.
  • Ảnh hưởng của mưa nội vùng kết hợp: Khi xuất hiện mưa lớn nội tỉnh có tần suất P = 1% - 5%, các trục tiêu suối Châng và hệ thống cống tự chảy bị nghẽn do nước sông Lô dâng cao gây hiện tượng dềnh ngập ngược, làm tăng độ sâu ngập cục bộ tại khu vực cơ quan hành chính thêm 0,35 m đến 0,65 m.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản dẫn đến tình trạng ngập lụt khốc liệt tại thành phố Hà Giang bắt nguồn từ sự cộng hưởng của nhiều yếu tố tự nhiên và nhân tạo. Về tự nhiên, lòng sông Lô đoạn thượng lưu chảy qua địa hình núi đá vôi hiểm trở, thung lũng co thắt hẹp có nơi chỉ rộng 4 - 5 m, trong khi các dãy núi xung quanh cao từ 1.000 m đến 1.500 m tạo độ dốc lưu vực cực lớn, khiến thời gian tập trung lũ chỉ mất từ 3 đến 6 giờ. Về nhân tạo, tốc độ xây dựng san lấp bờ sông trong 10 năm qua đã làm suy giảm trên 25% không gian trữ và thoát lũ tự nhiên ven sông Lô và sông Miện.

Khi đối chiếu với các công trình nghiên cứu trên hệ thống sông Đà và lưu vực sông Cả, kết quả của luận văn thể hiện sự nhất quán về quy luật truyền lũ vùng núi nhưng vượt trội ở khả năng chi tiết hóa không gian ngập lụt. Thay vì chỉ đưa ra mực nước đỉnh lũ dọc trắc dọc sông như mô hình 1D truyền thống, nghiên cứu đã số hóa chính xác ranh giới ngập đến từng tổ dân phố và tuyến đường giao thông.

Để trực quan hóa kết quả phục vụ công tác quản lý, toàn bộ dữ liệu thủy lực được hệ thống hóa thành:

  • Biểu đồ thủy văn so sánh: Thể hiện trực quan đường quá trình mực nước thực đo và tính toán theo từng giờ trong các đợt lũ 2008 và 2018.
  • Bảng tổng hợp diện tích và độ sâu ngập: Chi tiết hóa quy mô ngập cho từng xã, phường theo 23 kịch bản tổ hợp.
  • Hệ thống bản đồ ngập lụt 2D phân cấp: Biểu diễn trực quan 4 dải độ sâu ngập (dưới 0,5 m; 0,5 - 1,0 m; 1,0 - 2,0 m; trên 2,0 m) trên nền bản đồ địa chính thành phố Hà Giang.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng 23 kịch bản ngập lụt, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược đồng bộ nhằm nâng cao năng lực chống chịu thiên tai cho thành phố Hà Giang:

  1. Xây dựng và nâng cấp hệ thống kè bảo vệ bờ sông: Tiến hành kiên cố hóa 4,75 km tuyến kè hiện hữu và đầu tư xây mới 2,3 km bờ kè chống sạt lở tại các vị trí xung yếu dọc bờ tả sông Lô (phường Minh Khai, Trần Phú) và bờ hữu sông Miện (phường Quang Trung). Đảm bảo cao trình đỉnh kè thiết kế đạt tối thiểu 104,5 m (tương ứng khả năng chống lũ tần suất P = 1% - 2%), hoàn thành trước mùa mưa bão năm 2024 do Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Hà Giang làm chủ đầu tư.
  2. Quy hoạch và bảo vệ không gian thoát lũ tự nhiên: Ban hành quy định cấm san lấp, lấn chiếm hành lang thoát lũ sông Lô và sông Miện; nạo vét mở rộng các đoạn co hẹp cục bộ nhằm nâng công suất thoát lũ dòng chảy lên trên 2.200 $m^3/s$; cải tạo 12 cửa xả và trục tiêu nhánh suối Châng để loại bỏ tình trạng ngập úng nội đô, thực hiện thường xuyên trong giai đoạn 2021 - 2025 dưới sự điều phối của UBND Thành phố Hà Giang.
  3. Điều chỉnh quy trình vận hành liên hồ chứa thủy điện: Thiết lập quy chế phối hợp vận hành điều tiết xả lũ giữa các nhà máy thủy điện bậc thang trên lưu vực sông Lô (như Thủy điện Sông Lô 2, Thủy điện Sông Lô 4); yêu cầu duy trì dung tích phòng lũ chủ động trước các đợt mưa lớn từ 15 đến 20 triệu $m^3$ nhằm cắt giảm từ 10% đến 15% lưu lượng đỉnh lũ đổ về thành phố, áp dụng ngay từ năm 2021 do Sở Công Thương phối hợp Công ty Thủy điện quản lý.
  4. Tăng cường hợp tác quốc tế và nâng cấp mạng lưới cảnh báo sớm: Hoàn thiện cơ chế trao đổi số liệu quan trắc mưa và lưu lượng xả lũ xuyên biên giới theo thời gian thực từ phía thượng nguồn Trung Quốc; lắp đặt thêm 5 trạm đo mưa tự động và 2 trạm cảnh báo mực nước tự động tại khu vực biên giới nhằm nâng thời gian dự báo sớm lên 6 - 12 giờ trước khi lũ về đến trung tâm đô thị, triển khai giai đoạn 2021 - 2023 do Ban Chỉ huy PCTT & TKCN tỉnh chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn cung cấp nguồn tư liệu khoa học chuẩn xác và mang giá trị thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng:

  • Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn tỉnh Hà Giang: Sử dụng tập bản đồ ngập lụt 23 kịch bản để xây dựng phương án sơ tán dân cư chi tiết cho từng tổ dân phố thuộc 5 phường trọng điểm khi mực nước sông Lô chạm các cấp Báo động I, II, III.
  • Sở Xây dựng và các đơn vị tư vấn quy hoạch đô thị: Ứng dụng số liệu cao trình ngập khống chế (từ 101,0 m đến 105,57 m) để hoạch định cốt nền xây dựng cho các dự án mở rộng đô thị, phân vùng đất ở an toàn và thiết kế mạng lưới thoát nước mưa tránh các rốn ngập sâu.
  • Chủ đầu tư và kỹ sư vận hành các nhà máy thủy điện lưu vực sông Lô: Tham khảo kết quả tính toán lan truyền sóng lũ và tương tác dòng chảy để xây dựng quy trình xả lũ an toàn cho vùng hạ du, hạn chế tối đa nguy cơ xả lũ trùng đỉnh mưa lớn.
  • Nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học ngành Thủy văn, Kỹ thuật Tài nguyên nước: Khai thác phương pháp luận tích hợp mô hình 1D (MIKE 11) và 2D (MIKE 21 FM) trên nền ArcGIS làm tài liệu tham khảo học thuật điển hình trong việc nghiên cứu ngập lụt các đô thị thung lũng miền núi phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao thành phố Hà Giang nằm ở vùng núi cao nhưng lại thường xuyên bị ngập lụt nặng?

Thành phố Hà Giang tọa lạc trong thung lũng hẹp có cao trình đáy sông thấp, bao bọc bởi các sườn núi dốc từ 100 m đến trên 700 m và nằm sát tâm mưa Bắc Quang có lượng mưa năm lên tới 4.740 mm/năm. Khi xuất hiện mưa lớn vượt 250 mm/ngày, dòng chảy mặt tập trung rất nhanh đổ dồn về sông Lô nhưng lòng dẫn phía hạ lưu bị co thắt khiến nước dâng cao nhanh chóng, gây ngập lụt nghiêm trọng như trận lũ năm 1969 đạt 105,57 m.

Mô hình thủy lực liên kết 1D-2D MIKE FLOOD mang lại lợi thế gì so với mô hình 1D truyền thống?

Mô hình 1D chỉ tính toán được mực nước trung bình dọc theo mặt cắt ngang sông, trong khi mô hình liên kết 1D-2D MIKE FLOOD tích hợp lưới linh hoạt MIKE 21 FM giúp mô phỏng chi tiết trường vận tốc và hướng chảy tràn trên đường phố, khu dân cư. Phương pháp này nâng cao độ chính xác với sai số đỉnh lũ dưới 0,05 m và giảm hơn 30% thời gian tính toán so với các mô hình 2D dạng lưới vuông truyền thống.

Khu vực nào tại thành phố Hà Giang có nguy cơ ngập sâu nhất khi xuất hiện lũ lịch sử?

Theo kết quả mô phỏng kịch bản lũ tần suất P = 1%, các khu vực có nguy cơ ngập sâu nhất tập trung tại tổ 17 phường Trần Phú, tổ 10 phường Nguyễn Trãi và các trục đường ven sông thuộc phường Minh Khai. Tại những điểm trũng thấp này, độ sâu ngập có thể vượt mức 2,0 m đến 2,8 m, làm ngập sâu tầng 1 của nhiều công trình và cô lập toàn bộ các tuyến giao thông chính.

Việc điều chỉnh quy trình vận hành các nhà máy thủy điện có vai trò như thế nào trong cắt giảm lũ?

Hệ thống hồ chứa thủy điện trên lưu vực sông Lô có vai trò quyết định đến dung tích trữ lũ. Nếu phối hợp vận hành xả đón lũ trước 6 đến 12 giờ để tạo dung tích phòng lũ từ 15 đến 20 triệu $m^3$, hệ thống hồ sẽ giúp hạ thấp đỉnh lũ tràn về thành phố Hà Giang từ 0,4 m đến 0,8 m, giảm đáng kể diện tích ngập lụt cho vùng lõi đô thị.

Bản đồ ngập lụt trong luận văn được ứng dụng vào thực tế quy hoạch đô thị như thế nào?

Bản đồ ngập lụt số hóa cung cấp thông tin chi tiết về diện tích ngập (lên tới 358,4 ha ở kịch bản cực đoan) và ranh giới ngập cụ thể theo từng cấp báo động. Các nhà quản lý sử dụng dữ liệu này để quy định cốt xây dựng khống chế trên 104,5 m đối với công trình công cộng, di dời các điểm dân cư ven bờ sông và thiết kế khẩu độ cầu cống đảm bảo thoát lũ an toàn.

Kết luận

  • Ứng dụng thành công chuỗi công cụ mô hình hóa thủy lực liên kết tiên tiến MIKE 11, MIKE 21 FM và ArcGIS với độ chính xác cao, sai số mực nước kiểm định dưới 0,05 m.
  • Xây dựng thành công bộ bản đồ số hóa ngập lụt chi tiết cho 23 kịch bản tổ hợp mưa lũ, xác định diện tích chịu ảnh hưởng ngập lụt cực đoan lên tới 358,4 ha tại các phường nội thị.
  • Làm rõ nguyên nhân ngập úng đa chiều từ sự kết hợp giữa lượng mưa cực đoan (tâm mưa 4.740 mm/năm), địa hình lòng chảo dốc đứng và tác động thu hẹp không gian thoát lũ tự nhiên trên 25%.
  • Hoàn thiện gói giải pháp toàn diện gồm nâng cấp 4,75 km kè bờ đạt cao trình 104,5 m, giải tỏa hành lang thoát lũ và điều tiết tối ưu dung tích phòng lũ 15 - 20 triệu $m^3$ của hệ thống thủy điện.
  • Cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học vững chắc phục vụ đắc lực công tác cảnh báo thiên tai sớm trước 6 - 12 giờ và định hình quy hoạch phát triển không gian đô thị thành phố Hà Giang bền vững giai đoạn 2021 - 2030.

Các cơ quan quản lý nhà nước, đơn vị quy hoạch hạ tầng và doanh nghiệp thủy điện trên lưu vực sông Lô cần nhanh chóng tích hợp kết quả nghiên cứu và bộ bản đồ 23 kịch bản ngập lụt vào thực tiễn quản trị đô thị nhằm chủ động thích ứng an toàn trước các diễn biến thiên tai cực đoan.