Tài liệu Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học cho hệ hỗ trợ cảnh báo lũ lưu vực sông vu gia thu bồn, tỉnh quảng nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------------------- Nguyễn Thị Hồng NGHIÊN CỨU XÁC LẬP CƠ SỞ KHOA HỌC CHO HỆ HỖ TRỢ CẢNH BÁO LŨ LƯU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN, TỈNH QUẢNG NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ HÀ NỘI - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------------------- Nguyễn Thị Hồng NGHIÊN CỨU XÁC LẬP CƠ SỞ KHOA HỌC CHO HỆ HỖ TRỢ CẢNH BÁO LŨ LƯU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN, TỈNH QUẢNG NAM Chuyên ngành: Mã số: Quản lý tài nguyên và môi trường 62850101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PSG.TS. Nguyễn Kim Lợi 2. PSG.TS. Trần Ngọc Anh HÀ NỘI - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Nguyễn Thị Hồng LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành tại Khoa Địa lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học tận tình và chu đáo của PGS.TS. Nguyễn Kim Lợi và PGS.TS. Trần Ngọc Anh - Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến các thầy - những người đã thường xuyên động viên, cố vấn khoa học cho tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận án. Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã nhận được những chỉ bảo và góp ý quý báu của các thầy cô giáo công tác trong và ngoài trường: GS.TS. Nguyễn Cao Huần, GS.TS. Trần Nghi, GS.TSKH. Phạm Hoàng Hải, GS.TSKH. Đặng Trung Thuận, GS.TS. Võ Chí Mỹ, GS.TS. Nguyễn Khanh Vân, PGS.TS. Phạm Quang Tuấn, PGS.TS. Đặng Văn Bào, PGS. TS. Nguyễn Ngọc Khánh, PGS.TS. Nguyễn Thanh Sơn, PGS.TS. Uông Đình Khanh, PGS.TS. Hà Ngọc Hiến, PGS.TS. Nguyễn Thanh Hùng, PGS.TS. Nguyễn Duy Kiều, TS. Nguyễn Thị Thúy Hằng, TS. Ngô Văn Liêm… Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Quý Thầy, Cô! Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy giáo, cô giáo và các bạn đông nghiệp đang công tác tại Khoa Địa lý, Khoa Địa chất và phòng Sau Đại học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia, Hà Nội đã tâm huyết truyền dạy kiến thức và luôn tạo điều kiện tốt nhất cho tác giả hoàn thành luận án. Xin cám ơn các anh chị ở Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Nam, Đài Khí tượng Thủy văn Khu vực Trung trung Bộ đã giúp đỡ tác giả trong quá trình đi điều tra, khảo sát, thực địa tại địa phương. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài cấp Nhà nước “Hệ hỗ trợ trực tuyến cảnh báo lũ cho lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, tỉnh Quảng Nam”, Mã số KC.01.24/11-15 đã hỗ trợ về mặt tài liệu. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy, cô giáo và đồng nghiệp công tác tại Trung tâm Nghiên cứu Biến đổi khí hậu, Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh và Trung tâm Động lực học Thủy khí Môi trường - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ cả về vật chất và tinh thần để tác giả có thể hoàn thành được luận án này. Hà Nội, ngày tháng Tác giả năm 2017 Nguyễn Thị Hồng MỤC LỤC MỤC LỤC.................................................................................................................. 1 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................ 3 DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. 4 DANH MỤC HÌNH................................................................................................... 5 1. Tính cấp thiết của luận án ................................................................................. 8 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ..................................................................... 9 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .................................................................... 9 4. Những điểm mới của luận án ........................................................................... 9 5. Những luận điểm bảo vệ ................................................................................ 10 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .................................................... 10 7. Cơ sở tài liệu, số liệu ...................................................................................... 11 8. Cấu trúc của luận án ....................................................................................... 11 Chƣơng 1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............... 12 1.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu có liên quan ..................................... 12 1.1.1. Trên thế giới....................................................................................... 12 1.1.2. Ở Việt Nam ........................................................................................ 23 1.2. Cơ sở lý luận nghiên cứu ............................................................................. 35 1.2.1. Những khái niệm cơ bản .................................................................... 35 1.2.2. Các căn cứ khoa học.......................................................................... 38 1.3. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu ................................................. 41 1.3.1. Cách tiếp cận ...................................................................................... 44 1.3.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................... 47 1.3.3. Quy trình nghiên cứu ......................................................................... 54 Tiểu kết chƣơng 1 .................................................................................................... 56 Chƣơng 2. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN LŨ VÀ ĐẶC ĐIỂM LŨ TRÊN LƢU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN .................................................. 57 2.1. Các nhân tố ảnh hƣởng đến lũ tại lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn ............ 57 2.1.1. Vị trí địa lý ......................................................................................... 57 2.1.2. Khí hậu ............................................................................................... 58 2.1.3. Đặc điểm cấu trúc địa chất và địa hình .............................................. 61 2.1.4. Đặc điểm thủy văn ............................................................................. 65 2.1.5. Thổ nhƣỡng và lớp phủ thực vật........................................................ 69 2.1.6. Các hoạt động kinh tế - xã hội ........................................................... 74 1 2.2. Phân vùng địa lý tự nhiên và phân chia tiểu lƣu vực .................................. 81 2.2.1. Phân vùng địa lý tự nhiên .................................................................. 81 2.2.2. Phân chia tiểu lƣu vực ....................................................................... 86 2.3. Đặc điểm lũ trên lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn ...................................... 88 2.3.1. Một số trận lũ lịch sử ......................................................................... 88 2.3.2. Thiệt hại do lũ gây ra ......................................................................... 91 Tiểu kết chƣơng 2 .................................................................................................... 94 Chƣơng 3. XÁC LẬP HỆ THỐNG TRẠM QUAN TRẮC MƢA VÀ HỆ THỐNG CẢNH BÁO LŨ LƢU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN........... 97 3.1. Hệ thống trạm quan trắc mƣa phục vụ cảnh báo lũ lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn ..................................................................................................... 97 3.1.1. Hiện trạng hệ thống trạm quan trắc khí tƣợng thủy văn .................... 97 3.1.2. Số lƣợng và vị trí lắp đặt trạm đo mƣa bổ sung .............................. 102 3.2. Thiếp lập mô hình phục vụ hệ hỗ trợ cảnh báo lũ lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn ................................................................................................... 114 3.2.1. Cơ sở dữ liệu .................................................................................... 115 3.2.2. Thiết lập mô hình SWAT ................................................................ 119 3.2.3. Hiệu chỉnh và Kiểm định mô hình SWAT ...................................... 125 3.2.4. Thiết lập mô hình HEC-RAS ........................................................... 131 3.2.5. Hiệu chỉnh và Kiểm định mô hình HEC-RAS ................................ 132 3.3. Đánh giá tính hiệu quả mô phỏng lũ với hệ thống trạm đo mƣa bổ sung ... 136 3.4. Xây dựng hệ hỗ trợ cảnh báo lũ cho lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn ........ 141 Tiểu kết chƣơng 3 .................................................................................................. 147 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 148 KIẾN NGHỊ ........................................................................................................... 150 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............................................................................. 151 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 152 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 165 Phụ lục 1................................................................................................................. 166 Phụ lục 2a Phiếu điều tr hả n ng th ch ứng với lũ lụt (dành cho ngƣời dân vùng hạ lƣu LVS VGTB) ................................................. 168 Phụ lục 2b Phiếu điều tra kinh tế- xã hội và tài nguyên môi trƣờng tỉnh Quảng N m (dành cho ngƣời dân vùng trung và thƣợng lƣu LVS VGTB) ... 175 Phụ lục 3................................................................................................................. 185 2 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ANN Artificial Neural Network (Mạng thần kinh nhân tạo) ATNĐ Áp thấp nhiệt đới CSDL Cơ sở dữ liệu DEM Digital Elevation Model (Mô hình số độ cao) DSS Decision Support Systems (Hệ hỗ trợ ra quyết định) HTNĐ Hội tụ nhiệt đới HEC-RAS Hydrological Engineering Centre - Geospatial River Analysis System (Mô hình thủy lực một chiều) HRUs Hydrologic Response Units (Đơn vị thủy văn) KKL Không khí lạnh KTTV Khí tƣợng thủy văn LVS Lƣu vực sông PDC Pacific Disaster Center (Trung tâm Ứng phó Thảm họa Thái Bình Dƣơng) USAID U.S. Agency for International Development (Cơ quan Phát triển Quốc tế Hoa Kỳ) SWAT Soil and Water Assessment Tool (Mô hình mô phỏng dòng chảy mặt qua độ ẩm đất ) VGTB Vu Gia - Thu Bồn 3 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Tỷ lệ ảnh hƣởng của hệ thống thông tin liên lạc, giao thông, dịch vụ y tế công cộng trong mùa lũ............................................................................................. 94 Bảng 3.1. Thông tin về các điểm/trạm có đo mƣa trên lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn ..................................................................................................... 98 Bảng 3.2. Thống kê các trận lũ lớn và hình thế thời tiết điển hình trên lƣu vực sông Vu Gia Thu Bồn ............................................................................................. 103 Bảng 3.3. Lƣợng mƣa quan trắc trên lƣu vực sông Vu Gia Thu Bồn ứng với hình thế thời tiết Bão hoặc ATNĐ kết hợp với KKL giai đoạn 1980-2015 ........... 104 Bảng 3.4. Lƣợng mƣa quan trắc trên lƣu vực sông Vu Gia Thu Bồn ứng với hình thế thời tiết KKL, dải HTNĐ, đới gió đông và tổ hợp của chúng giai đoạn 1980 - 2015 ............................................................................................................. 106 Bảng 3.5. Lƣợng mƣa trung bình các trận lũ trên lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn do Bão và ATNĐ gây ra giai đoạn 1980 - 2015 ..................................................... 108 Bảng 3.6. Danh sách trạm quan trắc mƣa tự động lắp đặt ...................................... 112 trên lƣu vực sông Vu Gia Thu Bồn ......................................................................... 112 Bảng 3.7. Loại dữ liệu và nguồn dữ liệu................................................................. 115 Bảng 3.8. Khái quát hiện trạng dữ liệu đầu vào và tiêu chí cần đạt ....................... 117 Bảng 3.9. Khung tiêu chí cho số liệu Khí tƣợng Thủy văn .................................... 118 Bảng 3.10. Một số thông số ảnh hƣởng dòng chảy cần phân tích .......................... 124 Bảng 3.11. Chỉ số đánh giá kết quả hiệu chỉnh mô hình năm 2003 ....................... 125 Bảng 3.12. Chỉ số đánh giá kết quả hiệu chỉnh mô hình năm 2009 ....................... 125 Bảng 3.13. Chỉ số đánh giá kết quả kiểm định mô hình 2004 ................................ 126 Bảng 3.14. Chỉ số đánh giá kết quả kiểm định mô hình 2013 ................................ 126 Bảng 3.15. Bộ thông số chính của mô hình SWAT sau khi hiệu chỉnh, kiểm định ....130 Bảng 3.16. Bảng thống kê các mặt cắt trong mạng thủy lực sông VGTB ...................131 Bảng 3.17. Kết quả đánh giá hiệu chỉnh mô hình ................................................... 133 Bảng 3.18. Kết quả đánh giá kiểm định mô hình ................................................... 134 Bảng 3.19. Hệ số nhám trung bình của các đoạn sông ........................................... 136 4 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Hệ thống cảnh báo lũ đầy đủ .................................................................... 14 Hình 1.2. Phƣơng pháp dự báo lũ dựa trên mô hình MARINE ................................ 16 Hình 1.3. Cấu trúc hệ thống quản lý lũ cho LVS Tùng Hoa .................................... 19 Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống dự báo lũ tại LVS Maritsa và Tundzha............................ 20 Hình 1.5. Hệ thống cảnh báo sớm lũ lụt tại LVS Garang ......................................... 21 Hình 1.6. Hệ thống cảnh báo lũ quét tại Nậm La và Nậm Pàn ................................. 27 Hình 1.7. Bản đồ trực tuyến trong hệ thống cảnh báo lũ lụt tại Phú Thọ ................. 29 Hình 1.8. Quy trình xây dựng CSDL tự nhiên .......................................................... 50 Hình 1.9. Quy trình phân tích, thiết kế, xây dựng CSDL KTTV ............................. 51 Hình 1.10. Tiến trình thành lập bản đồ thực phủ lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn .... 52 Hình 1.11. Sơ đồ tiến trình mô phỏng dòng chảy của lƣu vực .................................... 53 Hình 1.12. Mô phỏng mực nƣớc từ 1990 đến 2015 .................................................. 54 Hình 1.13. Sơ đồ nghiên cứu luận án ........................................................................ 55 Hình 2.1. Phạm vi lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn (phần thuộc tỉnh Quảng Nam) .. 57 Hình 2.2. Bản đồ địa chất lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn......................................... 62 Hình 2.3. Bản đồ phân bậc địa hình lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn (phần thuộc tỉnh Quảng Nam) .................................................................................. 64 Hình 2.4. Bản đồ hệ thống sông ngòi tỉnh Quảng Nam ............................................ 68 Hình 2.5. Sơ đồ duỗi thẳng chi tiết hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn ..................... 69 Hình 2.6. Bản đồ thổ nhƣỡng lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn................................ 71 Hình 2.7. Bản đồ lớp phủ thực mặt đất lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn giai đoạn 2011- 2012 ................................................................................................ 73 Hình 2.8. Vị trí mẫu khảo sát khu vực thƣợng, trung lƣu (nhánh Vu Gia) .............. 74 Hình 2.9. Ảnh hƣởng của hoạt động khai thác khoáng sản tới lũ vùng hạ lƣu ........ 75 Hình 2.10. Thiệt hại do lũ lụt sau khi có hồ chứa thủy điện ..................................... 77 Hình 2.11. Ý kiến của ngƣời dân địa phƣơng nhận định về diện tích rừng.............. 78 Hình 2.12. Ý kiến của ngƣời dân nhận định về ảnh hƣởng của thay đổi diện tích rừng tới đời sống tại địa phƣơng ............................................................................... 79 Hình 2.13. Sơ đồ nguyên tắc phân vùng địa lý tự nhiên một khu vực lãnh thổ ....... 83 5 Hình 2.14. Sơ đồ phân vùng địa lý tự nhiên lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn ......... 85 Hình 2.15. Bản đồ phân chia tiểu lƣu vực trên nền DEM lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn (địa phận thuộc tỉnh Quảng Nam) .............................................. 87 Hình 2.16. Vị trí mẫu khảo sát khu vực hạ lƣu ......................................................... 93 Hình 2.17. Ảnh hƣởng của lũ đến đời sống ngƣời dân vùng hạ lƣu ......................... 93 Hình 3.1. Bản đồ mạng lƣới trạm Khí tƣợng Thủy văn trên lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn ..................................................................................................... 99 Hình 3.2. Tƣơng quan giữa tỷ lệ trạm và độ cao của lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn ................................................................................................... 100 Hình 3.3. Bản đồ phân bố lƣợng mƣa trung bình các đợt mƣa do Bão hoặc ATNĐ kết hợp KKL giai đoạn 1980-2015 trên lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn .............. 105 Hình 3.4. Bản đồ phân bố lƣợng mƣa trung bình các đợt mƣa do KKL, đới gió đông, dải HTNĐ hoặc tổ hợp của chúng giai đoạn 1980-2015 trên lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn ........................................................................................... 107 Hình 3.5. Bản đồ phân bố lƣợng mƣa trung bình các đợt mƣa do Bão hoặc ATNĐ giai đoạn 1980-2015 trên lƣu vực sông Vu Gia Thu Bồn ...................................... 109 Hình 3.6. Sơ đồ mạng lƣới trạm đo mƣa đề xuất trên lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn ................................................................................................... 113 Hình 3.7. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn (theo mã SWAT) ..................................................................................................... 120 Hình 3.8. Bản đồ phân loại đất theo thành phần cơ giới lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn (theo mã SWAT)....................................................................... 121 Hình 3.9. Bản đồ độ dốc lƣu vực sông Vu Gia - Thu Bồn ..................................... 122 Hình 3.10. Cửa sổ thao tác chạy mô hình SWAT................................................... 123 Hình 3.11. Kết quả hiệu chỉnh lƣu lƣợng tại trạm Nông Sơn 2003 ........................ 126 Hình 3.12. Kết quả hiệu chỉnh lƣu lƣợng tại trạm Thành Mỹ 2003 ....................... 127 Hình 3.13. Kết quả hiệu chỉnh lƣu lƣợng tại trạm Nông Sơn 2009 ........................ 127 Hình 3.14. Kết quả hiệu chỉnh lƣu lƣợng tại trạm Thành Mỹ 2009 ....................... 128 Hình 3.15. Kết quả kiểm định lƣu lƣợng tại trạm Nông Sơn 2004 ........................ 128 Hình 3.16. Kết quả kiểm định lƣu lƣợng tại trạm Thành Mỹ 2004 ........................ 129 Hình 3.17. Kết quả kiểm định lƣu lƣợng tại trạm Nông Sơn 2013 ........................ 129 6 Hình 3.18. Kết quả kiểm định lƣu lƣợng tại trạm Thành Mỹ 2013 ........................ 130 Hình 3.19. Mạng lƣới thủy lực hệ thống sông Vu Gia Thu Bồn ............................ 131 Hình 3.20. Kết quả hiệu chỉnh mực nƣớc mô hình HEC-RAS tại trạm TV Ái Nghĩa .................................................................................................................. 133 Hình 3.21. Kết quả hiệu chỉnh mô hình HEC-RAS tại trạm TV Giao Thủy .......... 134 Hình 3.22. Kết quả kiểm định mô hình HEC-RAS tại trạm TV Ái Nghĩa ............. 135 Hình 3.23. Kết quả kiểm định mô hình HEC-RAS tại trạm TV Giao Thủy .......... 135 Hình 3.24. Kết quả mô phỏng mực nƣớc tại trạm Giao Thủy ................................ 137 Hình 3.25. Kết quả mô phỏng mực nƣớc tại trạm Ái Nghĩa ứng với trận lũ 13/09/2015 - 20/09/2015 ......................................................................................... 138 Hình 3.26. Kết quả mô phỏng mực nƣớc tại trạm Giao Thủy ứng với trận lũ 14/10/2015 - 20/10/2015 ......................................................................................... 138 Hình 3.27. Kết quả mô phỏng mực nƣớc tại trạm Ái Nghĩa ứng với trận lũ 14/10/2015 - 20/10/2015 ......................................................................................... 139 Hình 3.28. Kết quả mô phỏng mực nƣớc tại trạm Giao Thủy ứng với trận lũ 31/10/2015 - 14/11/2015 ......................................................................................... 139 Hình 3.29. Kết quả mô phỏng mực nƣớc tại trạm Ái Nghĩa ứng với trận lũ 31/10/2015 - 14/11/2015 ......................................................................................... 140 Hình 3.31. Kết quả mô phỏng mực nƣớc tại trạm Ái Nghĩa ứng với trận lũ 30/10/2016 - 07/11/2016 ......................................................................................... 141 Hình 3.32. Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của hệ thống cảnh báo lũ LVS VGTB ......143 Hình 3.33. Mô-đun cung cấp thông tin dự báo, cảnh báo lũ lụt theo thời gian thực ...................................................................................................... 144 Hình 3.34. WebGIS cung cấp, quản lý số liệu KTTV, ngập lụt theo thời gian thực ...................................................................................................... 144 Hình 3.35. Quá trình kích hoạt mô-đun cảnh báo lũ qua tin nhắn SMS ................. 145 7 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Lũ là một trong những thiên tai có sức tàn phá rất lớn trên toàn thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Lũ xảy ra làm tràn ngập và phá hủy các công trình, nhà cửa dọc theo sông và thƣờng xuyên đe dọa cuộc sống của ngƣời dân, gây ra những tổn thất đáng kể về ngƣời, tài sản và cơ sở hạ tầng. Quảng Nam là tỉnh hàng năm thƣờng xuyên chịu ảnh hƣởng của nhiều thiên tai, trong đó bão, lũ đƣợc xếp hàng đầu về phạm vi ảnh hƣởng, mức độ nghiêm trọng và tần suất xuất hiện. Đặc biệt trong những năm gần đây, dƣới ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu (BĐKH) và áp lực phát triển kinh tế - xã hội, tình hình lũ lụt trên địa bàn tỉnh diễn biến ngày càng bất thƣờng, gây thiệt hại ngày càng lớn về ngƣời, tài sản và cơ sở hạ tầng. Cụ thể theo thống kê từ năm 1997 đến 2015, lũ lụt đã làm 590 ngƣời chết, 33 ngƣời mất tích, 1.560 ngƣời bị thƣơng; thiệt hại về tài sản, cơ sở hạ tầng lên tới 9.452,75 tỷ đồng [4]. Đặc biệt đợt lũ năm 2007 và 2009 đƣợc xem là thiên tai gây hậu quả nặng nề nhất trong vòng 100 năm qua ở Quảng Nam với tổng thiệt hại lên tới 5.700 tỷ đồng [5]. Có thể thấy rằng thiệt hại về mặt con ngƣời và kinh tế do các trận lũ lớn gây ra tƣơng đồng với mức độ lớn của lũ. Chính vì vậy, lũ lụt đã và đang hạn chế sự phát triển kinh tế của tỉnh Quảng Nam, gây tác động tiêu cực đến môi trƣờng cũng nhƣ đời sống xã hội. Qua nghiên cứu cho thấy các hệ thống cảnh báo lũ hiện nay tại lƣu vực sông (LVS) Vu Gia - Thu Bồn (VGTB) chủ yếu tập trung cho dự báo chứ chƣa có hệ thống cảnh báo đầy đủ, tuy đã góp phần hạn chế đƣợc những thiệt hại về ngƣời và của nhƣng vẫn chƣa thực sự đáp ứng đƣợc các đòi hỏi của thực tiễn, thiệt hại do lũ gây ra vẫn còn rất nặng nề và thƣờng để lại những hậu quả to lớn cả trong trƣớc mắt và lâu dài. Vì vậy, việc xây dựng một hệ thống cảnh báo thiên tai, đặc biệt là lũ trên LVS VGTB là hết sức cần thiết, làm cơ sở cho việc xây dựng kế hoạch ứng phó và quản lý thiên tai trên địa bàn tỉnh Quảng Nam nói chung và LVS VGTB nói riêng. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn là cơ sở để nghiên cứu sinh đề xuất đề tài luận án “Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học cho hệ hỗ trợ cảnh báo lũ lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, tỉnh Quảng Nam”. 8 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu a. Mục tiêu Xác lập đƣợc cơ sở khoa học cho thiết kế bổ sung trạm đo mƣa và xây dựng hệ hỗ trợ cảnh báo lũ thông qua tích hợp GIS, mô hình SWAT và HEC-RAS trên LVS VGTB, tỉnh Quảng Nam. b. Nội dung nghiên cứu  Tổng quan cơ sở lý luận và thực tiễn của các hệ hỗ trợ cảnh báo lũ.  Tìm hiểu về hiện trạng lũ trên LVS VGTB.  Phân tích nhóm các nhân tố ảnh hƣởng tới lũ trên LVS VGTB.  Đánh giá thực trạng mạng lƣới trạm KTTV hiện tại, từ đó xác định số lƣợng trạm cần lắp thêm trên LVS VGTB. Xác định vị trí phù hợp lắp đặt trạm đo mƣa để hỗ trợ việc thu thập dữ liệu phục vụ cảnh báo lũ cho LVS VGTB.  Thiết lập, hiệu chỉnh, kiểm định mô hình SWAT, HEC-RAS mô phỏng lũ.  Tích hợp, tự động hóa kết nối mô hình SWAT, HEC-RAS để dự báo lũ theo thời gian thực phục vụ xây dựng hệ thống hỗ trợ cảnh báo lũ trên LVS VGTB. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu: Đặc điểm lũ trên LVS VGTB, các nhân tố ảnh hƣởng đến lũ và mô hình cảnh báo lũ, mạng lƣới quan trắc mƣa phục vụ dự báo và cảnh báo lũ.  Phạm vi nghiên cứu: - Phạm vi không gian: Nghiên cứu của luận án đƣợc giới hạn trong LVS VGTB thuộc địa phận tỉnh Quảng Nam - Phạm vi khoa học: Xây dựng hệ thống cảnh báo lũ; Xác định số lƣợng và vị trí đặt trạm đo mƣa. 4. Những điểm mới của luận án - Đã xác định đƣợc số lƣợng trạm và vị trí lắp đặt các trạm đo mƣa bổ sung phù hợp với đặc điểm và sự phân hóa các điều kiện địa lý phục vụ tăng cƣờng chất lƣợng dự báo, cảnh báo lũ trên LVS VGTB. - Đã xác lập đƣợc hệ hỗ trợ cảnh báo lũ đầy đủ phù hợp với LVS VGTB dựa trên tích hợp GIS, mô hình SWAT và HEC-RAS. 9 5. Những luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Đặc điểm và sự phân hóa các điều kiện địa lý là cơ sở khoa học cho việc xác định số lƣợng và bổ sung các trạm đo mƣa phù hợp phục vụ cảnh báo lũ LVS VGTB. Luận điểm 2: Hệ thống hỗ trợ cảnh báo lũ hoàn chỉnh đƣợc xây dựng trên cơ sở tích hợp GIS, mô hình SWAT và HEC-RAS cùng với số lƣợng trạm đo mƣa phù hợp góp phần tăng cƣờng chất lƣợng dự báo, cảnh báo lũ trên LVS VGTB. 6. Ý nghĩ  ho học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học Bộ số liệu KTTV thu thập liên tục nhiều năm sẽ là nguồn dữ liệu đầu vào cho quá trình xây dựng, cải thiện vấn đề dự báo lũ cho LVS VGTB. Hệ thống mô phỏng lũ SWAT, HEC-RAS đƣợc cải tiến thông qua việc sử dụng các số liệu quan trắc thực tế tại các điểm đo bổ sung sẽ nâng cao hơn nữa chất lƣợng và độ chính xác dự báo/cảnh báo lũ. Luận án đã đề xuất sử dụng kết hợp mô hình SWAT với HEC-RAS cho mô phỏng và dự báo lũ ở LVS VGTB với những kết quả đáng khích lệ và cho thấy khả năng ứng dụng của bộ công cụ này trong các nghiên cứu tƣơng tự.  Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả của luận án cung cấp cách tiếp cận nghiên cứu cảnh báo lũ phù hợp với điều kiện LVS VGTB thông qua xây dựng hệ hỗ trợ cảnh báo lũ theo thời gian thực nhằm cung cấp thông tin đầy đủ về tình hình thời tiết, diễn biến lũ (lƣu lƣợng dòng chảy, mực nƣớc) nhằm giảm thiểu thiệt hại về ngƣời và của cho ngƣời dân trên LVS. Đồng thời, là tiền đề để tiến đến xây dựng hoàn thiện một hệ thống cảnh báo sớm (Early Warning System) phục vụ cho việc phòng chống các thiên tai trong tƣơng lai. - Hệ thống cảnh báo này sẽ cung cấp cho ngƣời dân, chính quyền địa phƣơng các thông tin hữu ích về tình trạng lũ trên LVS, qua đó hỗ trợ cho việc ra quyết định di tản ngƣời dân, tài sản một cách chủ động nhằm giảm thiểu những thiệt hại do lũ gây ra. 10 7. Cơ sở tài liệu, số liệu Nguồn tài liệu sử dụng trong luận án gồm các nhóm nhƣ sau:  Hệ thống các bản đồ số đƣợc thu thập từ các cơ quan chức năng ở các tỷ lệ khác nhau: - Bản đồ tỷ lệ 1/25.000: Bản đồ nền cơ bản (thủy hệ, giao thông, ranh giới hành chính), bản đồ hiện trạng sử dụng đất tỉnh Quảng Nam năm 2010. - Bản đồ tỷ lệ 1/10.000: Bản đồ nền địa hình  Ảnh viễn thám tỉnh Quảng Nam gồm 10 cảnh ảnh: - Ảnh vệ tinh SPOT5 PAN xử lý mức 2A, độ phân giải 5m năm 2011 - 2012 - Ảnh vệ tinh SPOT5 XS xử lý mức 2A, độ phân giải 10m năm 2011 - 2012  Hệ thống tài liệu: Các tài liệu, số liệu từ các bài báo, tạp chí, đề tài nghiên cứu khoa học hay những tài liệu thống kê báo cáo thực trạng và định hƣớng phát triển kinh tế - xã hội, dữ liệu tình hình thiên tai, bão, lũ lụt, số liệu KTTV của các Sở ban ngành tỉnh Quảng Nam.  Dữ liệu thừa kế đề tài: “Hệ hỗ trợ trực tuyến cảnh báo lũ cho LVS VGTB, tỉnh Quảng Nam”, Mã số KC.01.24/11-15 (NCS là thành viên chính tham gia đề tài). 8. Cấu trúc của luận án Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị, Tài liệu tham khảo và Phụ lục thì nội dung chính của luận án đƣợc trình bày trong 3 chƣơng: Chƣơng 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chƣơng 2: CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN LŨ VÀ ĐẶC ĐIỂM LŨ TRÊN LƢU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN Chƣơng 3: XÁC LẬP HỆ THỐNG TRẠM QUAN TRẮC MƢA VÀ HỆ THỐNG CẢNH BÁO LŨ LƢU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN 11 Chƣơng 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu có liên quan 1.1.1. Trên thế giới 1.1.1.1. Sự hình thành và phát triển DSS trong quản lý tài nguyên nước Vào những năm đầu thập kỷ 90 của thế kỷ trƣớc ở Mỹ đã xây dựng một hệ DSS quản lý tài nguyên nƣớc cho LVS Colorado [130]. Công ty CDM Mỹ đã xây dựng thành công DSS chuyên ngành phục vụ việc quy hoạch, tối ƣu cấp nƣớc dài hạn, áp dụng thành công ở Philadelphia, Los Angeles. Ở Úc áp dụng khá thành công hệ DSS trong quản lý lƣu vực Murray-Darling [124]. Ở Ai Cập, bộ Thủy lợi với hỗ trợ của công ty IT Synergy Group đã xây dựng một DSS chạy trên nền GIS chuyên phục vụ quản lý tƣới [87]. Tại nƣớc Anh, C.K. Makropoulos và các cộng sự đã nghiên cứu xây dựng bộ công cụ hỗ trợ ra quyết định trong quản lý tổng hợp tài nguyên nƣớc đô thị nhằm tạo thuận lợi cho việc lựa chọn phối hợp các chiến lƣợc và công nghệ tiết kiệm nƣớc và để hỗ trợ quản lý nƣớc tổng hợp và bền vững [98]. Một hệ thống hỗ trợ ra quyết định tổng hợp sử dụng phần mềm GIS đƣợc nhóm Hamed Assaf và các cộng sự thiết kế để giúp các nhà làm chính sách và các bên liên quan hiểu rõ hơn về quá trình gây suy thoái chất lƣợng nƣớc mặt và dùng đánh giá các lựa chọn quản lý chất lƣợng nƣớc ở lƣu vực Litani của Lebanon [82]. Hệ thống hỗ trợ ra quyết định đƣợc phát triển dựa trên mô hình WEAP và sử dụng để đánh giá hai kế hoạch quản lý chất lƣợng nƣớc chính có tính đến các biến thủy văn, không gian, thời gian và nhận biết kế hoạch tốt nhất. Với mục đích quản lý bền vững LVS, một nghiên cứu tại Đức do Sven Lautenbach và các cộng sự đã phát triển một hệ thống hỗ trợ ra quyết định (DSS) nhằm phân tích kịch bản và các lựa chọn quản lý bền vững LVS Elbe của nƣớc Đức, gọi tắt là Elbe-DSS [108]. Hệ thống này kết hợp các mô hình mô phỏng địa lý và các bộ dữ liệu có liên quan. Nội dung thiết kế hệ DSS đƣợc phát triển với sự hợp tác chặt chẽ của ngƣời sử dụng, trong đó ngƣời sử dụng có thể đánh giá hiệu quả của các hoạt động quản lý. Ngoài việc thiết lập các kịch bản quản lý, nghiên cứu 12 còn đánh giá hiệu qủa của các kịch bản quản lý và rút ra các bài học cho việc phát triển DSS ở các lƣu vực tƣơng tự. Tác giả Veerakcuddy Rajasekaram đã xây dựng hệ hỗ trợ ra quyết định để giải quyết xung đột trong quản lý nƣớc hồ chứa đa mục tiêu [118]. Hệ DSS này gồm hệ thống thông tin liên lạc trong đó có sử dụng các công cụ tiện ích thông minh, hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu và hệ thống quản lý dựa trên mô hình. Hệ đƣợc thiết kế để giải quyết xung đột giữa các nhóm mục tiêu là nhu cầu dùng nƣớc cho tƣới, nƣớc sinh hoạt, nƣớc vận hành thủy điện và giảm thiểu thiệt hại do lũ. Nhƣ vậy, có thể thấy rằng việc xây dựng và phát triển hệ hỗ trợ ra quyết định trên thế giới đã đạt nhiều thành công, đặc biệt là trong việc sử dụng để quản lý tổng hợp tài nguyên nƣớc. 1.1.1.2. Các nghiên cứu hệ hỗ trợ cảnh báo báo lũ trên thế giới Để xây dựng một hệ thống quan trắc, cảnh báo lũ hiệu quả là vấn đề không hề đơn giản, vì nó đòi hỏi độ tin cậy cùng với sự sẵn có của các thông tin liên quan. Trong những năm qua, đã có nhiều nghiên cứu về cảnh báo lũ đƣợc thực hiện trên thế giới với nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣ sử dụng mạng cảm biến không dây [70,106], hệ thống nhúng với một trung gian [73,85], thu thập dữ liệu thời gian thực dựa trên internet [71], mô phỏng và dự báo lũ lụt [107]. Bên cạnh công nghệ cảm biến, GIS và viễn thám cũng đƣợc sử dụng để cải thiện độ chính xác [119]. Một số hệ thống dự báo, cảnh báo lũ lụt điển hình trên thế giới có thể kể đến nhƣ: - DELFT- FEWS [78]: Đây là hệ thống dự báo và cảnh báo thủy văn đƣợc phát triển bởi Deltares, Hà Lan. Hệ thống này tích hợp nhiều mô-đun chuyên dụng với mức cấu hình cao và linh hoạt, có khả năng xử lý và tích hợp các bộ dữ liệu lớn. - Automated Local Evaluation in Real Time (ALERT) [104]: Đây là phƣơng pháp sử dụng cảm biến từ xa để truyền dữ liệu môi trƣờng về một máy tính trung tâm theo thời gian thực. Phƣơng pháp này đƣợc phát triển trong những năm 1970 bởi Trung tâm Dịch vụ Thời tiết Quốc gia và đã đƣợc sử dụng trong nhiều tổ chức nhƣ Cục Khảo sát Địa chất Mỹ, Hội Kỹ sƣ Quân đội Hoa Kỳ, Cục 13 Khai hoang, các cơ quan nhà nƣớc, địa phƣơng và các tổ chức quốc tế. Hệ thống ALERT đã trở thành tiêu chuẩn trong thu thập dữ liệu theo thời gian thực về môi trƣờng vì tính chính xác, độ tin cậy và chi phí thấp của nó. Đến năm 2010, Hội đồng quốc gia cảnh báo thủy văn [104], kết hợp với các thành viên nhóm sử dụng ALERT, đã phát hành ALERT2, trong đó bao gồm thiết kế tiêu chuẩn mới cho việc truyền dữ liệu để cải thiện độ chính xác và mức độ hiệu quả của hệ thống nhằm phát hiện sớm lũ lụt và các thiên tai khác trên thế giới. ALERT2 có cùng mức chi phí và độ tin cậy của hệ thống ALERT nhƣng cung cấp dữ liệu nhanh hơn 10 lần với độ chính xác cao hơn. - Central America Flash Flood Guidance là một ví dụ về hệ thống cảnh báo lũ quét ở phạm vi vùng [76]. Hệ thống này cung cấp thông tin KTTV liên quan đến lũ quét cho các quốc gia thuộc khu vực Trung Mỹ bao gồm Belize, Costa Rica, El Salvador, Guatemala, Honduras và Nicaragua. - Hệ thống dự báo lũ của Ủy ban sông Mekong hoạt động từ năm 1970. Đây là một hệ thống tích hợp cung cấp thông tin dự báo lũ lụt cho các nƣớc thành viên thuộc LVS Mekong. Hệ thống này bao gồm ba thành phần: thu thập truyền dữ liệu, dự báo lũ lụt và cung cấp thông tin cảnh báo lũ ở cấp độ vùng cũng nhƣ quốc gia [72]. Nhìn chung, có thể có nhiều hệ thống cảnh báo lũ với nhiều biến thể, gồm nhiều phân hệ và các chức năng khác nhau nhƣng có thể khái quát hóa chung một hệ thống đầy đủ cần có 4 mô-đun/thành phần là (xem Hình 1.1): (1) Thu thập dữ liệu; (2) Xử lý lƣu trữ dữ liệu; (3) Mô hình; (4) Truyền tin. Hệ thống cảnh báo lũ đầy đủ + dữ liệu Thu thập Xử lý lƣu+trữ dữ + liệu Mô hình Hình 1.1. Hệ thống cảnh báo lũ đầy đủ 14 Truyền tin Trong đó, mô-đun Thu thập dữ liệu: sẽ bao gồm mạng lƣới quan trắc KTTV theo thời gian thực và cáchạ tầng viễn thông (GSM/GPRS, Internet) nhằm truyền các dữ liệu đã quan trắc về hệ thống; mô-đun Xử lý lưu trữ dữ liệu: có chức năng xác thực, tiếp nhận, lƣu trữ và xử lý các số liệu quan trắc từ mạng lƣới cũng nhƣ các thông tin dữ liệu khác (dự báo, cảnh báo,…) hoặc các nguồn thông tin khác nhƣ danh sáchngƣời sử dụng (ngƣời dân, cán bộ quản lý),… thƣờng dƣới dạng một cơ sở dữ liệu; mô-đun Mô hình dự báo/cảnh báo lũ: đóng vai trò then chốt trong việc xây dựng các kịch bản mô phỏng và dự báo lũ, thƣờng dựa trên các mô hình thủy văn, thủy lực đã đƣợc hiệu chỉnh và kiểm chứng trên LVS nghiên cứu; và mô-đun Truyền tin: giúp truyền và chuyển tải thông tin về dự báo/cảnh báo lũ đến cộng đồng và ngƣời sử dụng thƣờng qua các bản tin, email, trang web trực tuyến và trong thời gian gần đây có thể là gửi các tin nhắn khẩn cấp cho danh sách xác định sẵn những ngƣời sử dụng có đăng ký hoặc các ứng dụng trên điện thoại di động thông minh khác. Có rất nhiều các nghiên cứu về hệ thống cảnh báo lũ cả trên khía cạnh phát triển về lý thuyết cũng nhƣ phát triển các ứng dụng thực tiễn, nhìn chung có thể chia các nghiên cứu liên quan đến cảnh báo lũ trên thế giới theo hai hƣớng chính: phát triển riêng rẽ từng mô-đun thành phần trong hệ thống cảnh báo lũ (trong đó các nhà khoa học trong lĩnh vực khoa học trái đất thƣờng chú ý đến mô-đun 1 và mô-đun 3) và xây dựng một hệ thống cảnh báo lũ đầy đủ. a) Phát triển riêng rẽ từng thành phần trong hệ thống cảnh báo lũ Mô phỏng lũ lụt đƣợc xem là yếu tố mấu chốt quyết định sự thành công của hệ thống cảnh báo lũ. Do vậy, rất nhiều nghiên cứu đã đƣợc thực hiện liên quan đến xây dựng, phát triển mô hình lũ lụt, chính là phần lõi hay nền tảng của các hệ thống cảnh báo lũ hiện nay. Các hƣớng nghiên cứu chính: (1) Nghiên cứu về phát triển và cải tiến mô hình dự báo lũ Vladimir và Arie (1995) [120] đã xây dựng một mô hình tổng hợp để dự báo lũ quét theo thời gian thực cho sông Ayalon ở trung tâm Israel. Mô hình này bao gồm bốn mô hình con: mô hình hồi quy tính toán dòng chảy tại các trạm thƣợng 15 nguồn trên hai nhánh sông lớn, mô hình truyền lũ mô phỏng thời gian dòng chảy di chuyển từ các trạm này đến trạm hạ lƣu nằm trên dòng chính, đƣờng cong thời giandiện tích (time-area concentration curve) cho các tiểu lƣu vực nằm giữa các trạm thƣợng nguồn và hạ nguồn, và đƣờng cong suy giảm (recession curve) cho các trạm hạ lƣu. Mô hình kết hợp với cơ chế thích ứng điều chỉnh liên tục các lỗi dự báo, có khả năng dự báo theo bảy bƣớc thời gian khác nhau từ 0,5 đến 3,5 giờ. Kết quả này cung cấp dữ liệu đầu vào thích hợp cho một hệ thống cảnh báo lũ trên sông Ayalon. Valérie và cộng sự (2002) [116] đã phát triển phƣơng pháp dự báo lũ quét dựa trên mô hình MARINE (Modélisation de l’Anticipation du Ruissellement et des Inondations pour des évéNements Extrêmes) nhƣ Hình 1.2. bao gồm hai phần: mô phỏng dòng chảy lũ ở phần thƣợng lƣu và mô phỏng lan truyền lũ trong dòng sông chính. Phƣơng pháp này đã đƣợc thử nghiệm tại một số trận lũ quét gần đây trên lƣu vực Địa Trung Hải của Pháp và cho thấy khả năng cung cấp các dữ liệu liên quan về tiến trình lũ lụt và áp dụng ngay cả khi dữ liệu quan trắc lịch sử thƣa thớt. H nh 1.2. Phương pháp dự báo lũ dựa trên mô hình MARINE Nguồn: Valérie và cộng sự (2002) 16