Luận án Tiến sĩ Thủy văn học: Nghiên cứu cơ sở khoa học đánh giá rủi ro và cảnh báo nguy cơ lũ quét cho lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:189

Thêm vào BST

Báo xấu

81
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận án nhằm xác định được phương pháp và bộ tiêu chí đánh giá rủi ro lũ quét cho lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu. Đề xuất được phương pháp xác định được ngưỡng mưa phục vụ cảnh báo nguy cơ lũ quét trên cơ sở nghiên cứu cho một lưu vực cụ thể. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Thủy văn học: Nghiên cứu cơ sở khoa học đánh giá rủi ro và cảnh báo nguy cơ lũ quét cho lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu

i BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU HOÀNG VĂN ĐẠI NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC ĐÁNH GIÁ RỦI RO VÀ CẢNH BÁO NGUY CƠ LŨ QUÉT CHO LƯU VỰC SÔNG NGÀN PHỐ - NGÀN SÂU LUẬN ÁN TIẾN SĨ THỦY VĂN HỌC HÀ NỘI - 2021
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC ĐÁNH GIÁ RỦI RO VÀ CẢNH BÁO NGUY CƠ LŨ QUÉT CHO LƯU VỰC SÔNG NGÀN PHỐ - NGÀN SÂU Ngành: Thủy văn học Mã số: 9440224 LUẬN ÁN TIẾN SĨ THỦY VĂN HỌC Tác giả luận án Giáo viên hướng dẫn 1 Giáo viên hướng dẫn 2 Hoàng Văn Đại GS. TS Trần Hồng Thái PGS. TS Lã Văn Chú HÀ NỘI - 2021
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong Luận án này là trung thực, không sao chép dưới bất kỳ hình thức nào từ bất kỳ một nguồn nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn đầy đủ và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định. Tác giả Luận án Hoàng Văn Đại
LỜI CẢM ƠN Trước tiên tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Biến đổi khí hậu đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới hai người thầy hướng dẫn khoa học là GS. TS. Trần Hồng Thái và PGS. TS. Lã Văn Chú đã tận tình giúp đỡ tác giả từ những bước đầu tiên xây dựng hướng nghiên cứu, cũng như trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án. Các Thầy luôn ủng hộ, động viên và hỗ trợ những điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành Luận án. Tác giả trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, Phòng Khoa học Đào tạo và Hợp tác Quốc tế, Bộ môn Thủy văn học tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ trong thời gian nghiên cứu, hoàn thành Luận án. Tác giả chân thành cảm ơn các chuyên gia, các nhà khoa học của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, các đồng nghiệp và các cơ quan đã có những góp ý về khoa học cũng như hỗ trợ nguồn tài liệu, số liệu cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện Luận án. Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn gia đình đã luôn ở bên cạnh, động viên cả về vật chất lẫn tinh thần, tạo mọi điều kiện tốt nhất để tác giả có thể hoàn thành Luận án của mình. TÁC GIẢ Hoàng Văn Đại
i MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG ............................................................................................. IV DANH MỤC HÌNH .............................................................................................. VI DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ IX MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của luận án ........................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................ 3 3. Câu hỏi nghiên cứu .................................................................................. 3 4. Luận điểm bảo vệ .................................................................................... 3 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................ 4 6. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................... 4 7. Đóng góp mới của luận án ....................................................................... 4 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.................................................................. 4 9. Bố cục của luận án................................................................................... 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ LŨ QUÉT .......................... 7 1.1. Một số khái niệm .................................................................................. 7 1.2. Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước .......................................... 8 1.2.1. Tổng quan chung về lũ quét và hiểm họa ........................................ 8 1.2.2. Tổng quan nghiên cứu về rủi ro do lũ quét ................................... 15 1.2.3. Tổng quan nghiên cứu về tổn thương do lũ quét ........................... 17 1.2.4. Tổng quan nghiên cứu ngưỡng mưa phục vụ cảnh báo lũ quét ..... 21 1.3. Tổng quan lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu. .................................. 25 1.3.1. Đặc điểm tự nhiên khu vực nghiên cứu ......................................... 25 1.3.2. Đặc điểm kinh tế - xã hội.............................................................. 30 1.3.3. Thực trạng lũ, lũ quét tại lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu ...... 31 1.4. Tiểu kết Chương 1 .............................................................................. 34 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP VÀ SỐ LIỆU NGHIÊN CỨU .............................. 37 2.1. Cách tiếp cận ...................................................................................... 37 2.1.1. Tiếp cận theo lưu vực sông ........................................................... 37 2.1.2. Tiếp cận lịch sử ............................................................................ 37
2.1.3. Tiếp cận theo thời gian và không gian .......................................... 37 2.1.4. Tiếp cận phân tích, tổng hợp ........................................................ 37 2.2. Phương pháp nghiên cứu .................................................................... 37 2.2.1. Phương pháp tổng hợp tài liệu ..................................................... 37 2.2.2. Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa ...................................... 38 2.2.3. Phương pháp chuyên gia .............................................................. 42 2.2.4. Phương pháp tổng hợp các tiêu chí rủi ro .................................... 42 2.2.5. Đánh giá độ tin cậy và mức độ ảnh hưởng của các tiêu chí hiểm họa lũ quét 49 2.2.6. Phân cấp mức độ rủi ro do lũ quét ............................................... 53 2.2.7. Phương pháp xây dựng ngưỡng mưa sinh lũ quét ......................... 54 2.3. Dữ liệu sử dụng trong luận án ............................................................. 65 2.4. Tiểu kết Chương 2 .............................................................................. 66 CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ RỦI RO VÀ CẢNH BÁO NGUY CƠ LŨ QUÉT CHO LƯU VỰC SÔNG NGÀN PHỐ - NGÀN SÂU ..................................................... 68 3.1. Ảnh hưởng lũ quét và cơ sở thực tiễn xây dựng bộ tiêu chí đánh giá rủi ro lũ quét............................................................................................................ 68 3.1.1. Ảnh hưởng của lũ quét đến các hoạt động dân sinh kinh tế của người dân..................................................................................................................... 69 3.1.2. Ảnh hưởng của lũ quét đến cơ sở hạ tầng ........................................ 72 3.1.3. Ảnh hưởng của lũ quét đến y tế ........................................................ 76 3.1.4. Ảnh hưởng của lũ quét đến tài nguyên môi trường ........................... 78 3.2. Đề xuất bộ tiêu chí đánh giá mức độ rủi ro lũ quét .............................. 81 3.2.1. Đề xuất nhóm tiêu chí tính toán hiểm họa .................................... 81 3.2.2. Đề xuất nhóm tiêu chí tính toán mức độ phơi bày trước hiểm họa 90 3.2.3. Đề xuất nhóm tiêu chí tính toán tính dễ bị tổn thương .................. 92 3.3. Áp dụng bộ tiêu chí đánh giá mức độ rủi ro lũ quét cho lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu......................................................................................... 96 3.3.1. Xác định thành phần hiểm họa ..................................................... 96 3.3.2. Xác định thành phần mức độ phơi bày trước hiểm họa ............... 106 3.3.3. Xác định thành phần tính dễ bị tổn thương ................................. 110 3.3.4. Đánh giá mức độ rủi ro lũ quét cho lưu vực sông Ngàn Phố-Ngàn Sâu 112
3.4. Xác định ngưỡng mưa sinh lũ quét ................................................... 119 3.4.1. Đánh giá cân bằng nước cho các tiểu lưu vực ............................ 120 3.4.2. Xác định ngưỡng mưa sinh lũ quét phục vụ cảnh báo rủi ro lũ quét 126 3.5. Tiểu kết chương 3 ............................................................................. 129 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 132 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............................................................................ 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 136
DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1 Thống kê các sông suối trên lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu ........... 28 Bảng 2. 1 Số lượng phiếu điều tra phỏng vấn ........................................................ 39 Bảng 2. 2 Sơ đồ các bước đánh giá rủi ro do lũ quét bằng phương pháp chỉ số ...... 44 Bảng 2. 3 Diễn giải giá trị thể hiện mức độ quan trọng giữa các tiêu chí ................ 45 Bảng 2. 4 Ma trận ý kiến chuyên gia...................................................................... 46 Bảng 2. 5 Bảng chỉ số ngẫu nhiên RI ..................................................................... 47 Bảng 2. 6 Phân loại mức độ nhất quán theo Altman ............................................... 51 Bảng 2. 7 Tính toán độ chính xác theo hệ số Kappa ............................................... 51 Bảng 2. 8 Diễn giải đường cong ROC ................................................................... 52 Bảng 2. 9 Diễn giải ý nghĩa của diện tích AUC dưới đường cong ROC ................. 53 Bảng 2. 10 Tài liệu sử dụng trong mô hình hóa MIKE SHE .................................. 59 Bảng 2. 11 Các chỉ số đánh giá kết quả hiệu chỉnh, kiểm định mô hình ................. 64 Bảng 2. 12 Các chỉ số đánh giá kết quả mô phỏng theo mùa .................................. 65 Bảng 2. 13 Thông tin dữ liệu các đợt điều tra khảo sát phục vụ cho luận án .......... 65 Bảng 3. 1 Thống kê kết quả tự đánh giá của người dân về mức độ ảnh hưởng của lũ quét đến kinh tế của gia đình ................................................................................. 69 Bảng 3. 2 Thống kê kết quả tự đánh giá của người dân về mức độ ảnh hưởng của lũ quét đến năng suất trồng trọt của gia đình .............................................................. 70 Bảng 3. 3 Thống kê kết quả tự đánh giá của người dân về mức độ ảnh hưởng của lũ quét đến số lượng đàn gia súc, gia cầm của gia đình .............................................. 70 Bảng 3. 4 Thống kê kết quả tự đánh giá của người dân về khả năng cấp nước sinh hoạt sau khi có lũ, lũ quét xảy ra............................................................................ 79 Bảng 3. 5 Thống kê kết quả tự đánh giá của người dân về chất lượng nước sinh hoạt sau khi có lũ, lũ quét xảy ra ................................................................................... 79 Bảng 3. 6 Thống kê kết quả tự đánh giá của người dân về tình hình vệ sinh môi trường sau khi có lũ, lũ quét xảy ra ................................................................................... 79 Bảng 3. 7 Các tiêu chí tính toán hiểm họa lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu ...... 82
Bảng 3. 8: Phân tích các thành phần chính (Principal Components Analysis) theo 12 tiêu chí được rút gọn.............................................................................................. 83 Bảng 3. 9 Phân loại nhóm đất trong khu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu…………84 Bảng 3. 10 Các tiêu chí phụ tính toán thành phần phơi bày trước hiểm họa ........... 91 Bảng 3. 11 Các tiêu chí tính dễ bị tổn thương cho lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu .............................................................................................................................. 93 Bảng 3. 12 Hiệu quả áp dụng phương pháp đánh giá rủi ro lũ quét lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu.................................................................................................... 105 Bảng 3. 13 Tính toán độ chính xác theo kệ số Kappa ........................................... 105 Bảng 3. 14 Phân độ mạnh của tương hợp theo Altman......................................... 105 Bảng 3. 15 Ma trận so sánh cặp và trọng số các thành phần của các nhóm tiêu chí hiểm họa trên lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu ............................................... 107 Bảng 3. 16 Diện tích rủi ro do lũ quét trên lưu vực sông Ngàn Phố-Ngàn Sâu ..... 114 Bảng 3. 17 Thống kê các yếu tố cân bằng nước trên toàn lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu (Đơn vị:mm) ....................................................................................... 125
DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1 Đặc trưng hiểm họa lũ quét được xác định từ các trạm quan trắc [73] ......... 11 Hình 1. 2 Bản đồ hiểm họa lũ quét dựa trên tổng hợp nhân tố [89] ........................ 12 Hình 1. 3 Kết nối giữa các nhóm tiêu chí đánh giá tính dễ bị tổn thương xã hội [36] 20 Hình 1. 4 Quan hệ lượng mưa giờ và lượng mưa hoạt động để xác định đường tới hạn phục vụ cảnh báo lũ quét ....................................................................................... 24 Hình 1. 5 Vị trí địa lý lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu ..................................... 26 Hình 2. 1 Quy trình đánh giá tổng hợp mức độ rủi ro do lũ quét sử dụng trong nghiên cứu ........................................................................................................................ 43 Hình 2. 2 Đồ thị scree trong phân tích thành phần chính ........................................ 50 Hình 2. 3 Quy trình xác định ngưỡng mưa sinh lũ quét .......................................... 56 Hình 2. 4 Sơ đồ ba chiều mô tả các quá trình thủy văn được mô phỏng bằng MIKE SHE [94] ............................................................................................................... 58 Hình 2. 5 Sơ đồ tính toán của mô hình MIKE SHE ................................................ 60 Hình 2. 6 Sơ đồ mô hình hóa MIKE SHE (trái) và MIKE 11 (phải) áp dụng cho lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu ............................................................................. 61 Hình 2. 7 Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm Sơn Diệm và trạm Hòa Duyệt (01/01/2002 – 31/12/2004) .................................................................. 62 Hình 2. 8 Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm Sơn Diệm và trạm Hòa Duyệt (01/01/2007 – 31/12/2008) .................................................................. 63 Hình 3. 1 Thống kê ảnh hưởng của lũ quét đến thiệt hại về người tại các hộ dân được điều tra khảo sát phân theo đơn vị hành chính ....................................................... 69 Hình 3. 2 Thống kê thời gian ổn định sinh hoạt và sản xuất sau lũ quét của người dân phân theo đơn vị hành chính .................................................................................. 71 Hình 3. 3 Hỗ trợ của chính quyền địa phương cho người dân sau khi xảy ra lũ quét .............................................................................................................................. 71 Hình 3. 4 Biện pháp hỗ trợ của chính quyền địa phương giúp đỡ cho người dân để ổn định sinh hoạt sau khi xảy ra lũ quét ...................................................................... 72 Hình 3. 5 Thống kê loại hình nhà ở của người dân trong vùng khảo sát ................. 73
Hình 3. 6 Thiệt hại sau lũ quét đến các tuyến đường giao thông trong khu vực khảo sát .......................................................................................................................... 73 Hình 3. 7 Tình hình ngập lụt hệ thống đường giao thông tại khu vực khảo sát trong và sau lũ quét......................................................................................................... 74 Hình 3. 8 Tình hình hư hại của các công trình công cộng khác tại khu vực khảo sát trong và sau lũ quét phân theo đơn vị hành chính .................................................. 74 Hình 3. 9 Tình hình hoạt động của hệ thống các công trình phòng tránh lũ, lũ quét phân theo địa phương khảo sát............................................................................... 75 Hình 3. 10 Hoạt động của hệ thống thông tin liên lạc của địa phương khi xảy ra lũ quét ....................................................................................................................... 76 Hình 3. 11 Hoạt động của hỗ trợ của trung tâm y tế khi xảy ra lũ quét ................... 77 Hình 3. 12 Tác động đến vấn đề sức khỏe của người dân tại địa phương khi xảy ra lũ, lũ quét ................................................................................................................... 77 Hình 3. 13 Sự thay đổi về diện tích rừng tại vùng khảo sát .................................... 78 Hình 3. 14 Thống kê nguyên nhân gây ra diện tích rừng giảm tại vùng khảo sát phân theo đơn vị hành chính .......................................................................................... 80 Hình 3. 15 Giá trị riêng (Eigenvalue) và phần trăm tích lũy của phương sai (cumulative variability -%) của 12 thành phần được biểu diễn theo Scree plot ...... 83 Hình 3. 16 Quy trình tính toán tiêu chí thành phần hiểm họa lũ quét ...................... 90 Hình 3. 17 Tiêu chí độ dốc lưu vực sông Ngàn phố - Ngàn Sâu ............................. 97 Hình 3. 18 Tiêu chí độ cong địa hình cho lưu vực sông Ngàn phố - Ngàn Sâu ....... 97 Hình 3. 19 Chỉ số ẩm ướt địa hình cho lưu vực sông Ngàn phố - Ngàn Sâu ........... 98 Hình 3. 20 Chỉ số vị trí địa hình TPI cho lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu........ 99 Hình 3. 21 Chỉ số năng lượng sông lưu vực sông Ngàn phố - Ngàn Sâu ................ 99 Hình 3. 22 Chỉ số mật độ sông suối lưu vực sông Ngàn phố - Ngàn Sâu.............. 100 Hình 3. 23 Phân bố lượng mưa 6 giờ tần suất 5% ................................................ 101 Hình 3. 24 Hệ số xói mòn các loại đất lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu.......... 102 Hình 3. 25 Ảnh Landsat 8 khu vực Hương Sơn, Hà Tĩnh ..................................... 103 Hình 3. 26 Kết quả tiêu chí NDVI cho lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu ......... 103
Hình 3. 27 Đường cong ROC thể hiện khả năng tính toán rủi ro lũ quét của phương pháp nghiên cứu .................................................................................................. 104 Hình 3. 28 Bản đồ hiểm họa do lũ quét lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu ........ 106 Hình 3. 29 Bản đồ chuẩn hóa hiện trạng sử dụng đất tính toán mức độ phơi bày trước hiểm họa lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu ...................................................... 107 Hình 3. 30 Kết quả chuẩn hóa cho tiêu chí mật độ dân số .................................... 108 Hình 3. 31 Bản đồ mức độ phơi bày trước hiểm họa lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn sâu ....................................................................................................................... 109 Hình 3. 32 Bản đồ phân cấp mức độ phơi bày trước hiểm họa do lũ quét cho lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu .................................................................................. 109 Hình 3. 33 Kết quả chuẩn hóa tỷ lệ hộ nghèo ....................................................... 111 Hình 3. 34 Bản đồ tính dễ bị tổn thương do lũ quét cho lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu ...................................................................................................................... 111 Hình 3. 35 Bản đồ chỉ số rủi ro do lũ quét lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu .... 113 Hình 3. 36 Bản đồ phân cấp mức độ rủi ro lũ quét lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu ............................................................................................................................ 118 Hình 3. 37 Sơ đồ phân chia các tiểu lưu vực trên sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu ...... 120 Hình 3. 38 Sơ đồ cân bằng nước tổng quát trên lưu vực sông .............................. 121 Hình 3. 39 Biểu đồ các thành phần cân bằng nước trung bình tháng trên LVS Ngàn Phố - Ngàn Sâu.................................................................................................... 122 Hình 3. 40 Sơ đồ thể hiện tỷ lệ đóng góp trong cân bằng nước trên lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu mùa lũ ........................................................................................ 122 Hình 3. 41 Các thành phần cân bằng nước trung bình tháng tiểu lưu vực 1 .......... 123 Hình 3. 42 Các thành phần cân bằng nước trung bình tháng tiểu lưu vực 2 .......... 124 Hình 3. 43 Các thành phần cân bằng nước trung bình tháng tiểu lưu vực 3 .......... 125 Hình 3. 44 Đường ngưỡng mưa gây lũ quét CL xây dựng cho tiểu lưu vực 1 (TLNP) ............................................................................................................................ 127 Hình 3. 45 Đường ngưỡng mưa gây lũ quét CL cho tiểu lưu vực 2 (TLNS) ........ 128 Hình 3. 46 Đường ngưỡng mưa gây lũ quét CL cho tiểu lưu vực 3 (HL) ............ 128
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Nội dung - Ý nghĩa 1 AHP Phân tích thứ bậc (Analytic Hierachy Process) 2 AUC Giá trị diện tích dưới đường cong (Area Under the Curve) 3 BĐKH Biến đổi khí hậu 4 CL Đường tới hạn 5 FFG Hướng dẫn lũ quét (Flash Flood Guidance) 6 GDP Tổng sản phẩm nội địa 7 GIS Hệ thống thông tin địa lý 8 HL Hạ lưu 9 IDF Chỉ số Cường độ mưa - thời đoạn – tần suất 10 IMHEN Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu 11 IPCC Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu (Intergovernmental Panel on Climate Change) 12 KTTV Khí tượng thủy văn 13 LVS Lưu vực sông 14 NDVI Chỉ số thực vật 15 NWS Cơ quan Thời tiết Quốc gia Hoa Kỳ 16 PCA Phân tích thành phần chính Đường cong đặc tính thu nhận (Receiver Operating 17 ROC characteristic Curve) 18 RRTT Rủi ro thiên tai 19 RTI Chỉ số kích hoạt lượng mưa 20 SPI Chỉ số năng lượng sông suối 21 SWI Chỉ số nước trong đất 22 TLNP Thượng lưu sông Ngàn Phố 23 TLNS Thượng lưu sông Ngàn Sâu 24 TPI Chỉ số vị trí địa hình 25 TWI Chỉ số ẩm ướt địa hình 26 WMO Tổ chức Khí tượng thế giới
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Lũ quét được coi là một trong những loại hình thiên tai khí tượng thủy văn nguy hiểm, được đặc trưng bởi tính đột ngột, xuất hiện bất ngờ và di chuyển hầu như không thể đoán trước. Lũ quét đã và đang gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng đến xã hội dưới dạng thiệt hại về tính mạng, tài sản, đường, thông tin liên lạc và môi trường tự nhiên, đặc biệt ở các khu vực miền núi có độ dốc cao. Theo Tổ chức Khí tượng Thế giới [133], lũ quét gây ra những thiệt hại về kinh tế hàng tỷ USD mỗi năm. Theo IMHEN, từ năm 1953 đến nay, đã xảy ra hàng trăm trận lũ quét ở quy mô khác nhau gây thiệt hại lớn về kinh tế và ảnh hưởng trầm trọng đến xã hội tại các khu vực miền núi trên hầu khắp lãnh thổ Việt Nam [10]. Số lượng các trận lũ quét có xu thế ngày một gia tăng, đặc biệt từ năm 2000 trở lại đây. Phần lớn các trận lũ quét đều xảy ra ở khu vực miền núi hẻo lánh, dân cư thưa thớt. Lũ quét có sức tàn phá lớn, gây tổn thất lớn về tính mạng và tài sản của nhân dân, đặc biệt ở các thung lũng sông khi lũ quét đi qua. Mặc dù lũ quét ở Việt Nam là nghiêm trọng, nhưng các công trình nghiên cứu về đánh giá rủi ro do lũ quét còn chưa nhiều và chưa đầy đủ. Các nghiên cứu trước đây về lũ quét thường tập trung các vấn đề như: xây dựng bản đồ phân vùng lũ quét; xây dựng hệ thống cảnh báo sớm; tuyên truyền nâng cao nhận thức của người dân trong vùng có nguy cơ cao xảy ra lũ quét, v.v… [7] nhưng việc đánh giá rủi ro do lũ quét chưa được nghiên cứu đầy đủ và rõ ràng. Bên cạnh đó, sự gia tăng nhanh chóng về dân số cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, sự suy thoái môi trường, sự gia tăng của các hiện tượng thời tiết cực đoan do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu (BĐKH) đã và đang là những nguyên nhân làm gia tăng lũ quét cũng như hậu quả của chúng. Lũ quét đang gây tổn thương hiện hữu hàng năm và tiềm ẩn rủi ro cao cho các hoạt động kinh tế - xã hội trong đó tính mạng con người tại khu vực vùng sâu, vùng xa của đất nước.
2 Tuy nhiên, theo nhu cầu phát triển của xã hội, việc đưa ra các biện pháp giảm thiểu hậu quả cũng như sự chuẩn bị sẵn sàng trước những nguy cơ của thiên tai, trong đó có thiên tai lũ quét ngày càng được quan tâm một cách nghiêm túc. Do vậy, vấn đề về cảnh báo hiểm họa, phân vùng nguy cơ, cảnh báo và đánh giá tổn thương, rủi ro liên quan đến lũ quét ngày càng được quan tâm và nghiên cứu rộng rãi ở trong và ngoài nước. Việc cảnh báo sớm nguy cơ lũ quét đã và đang được ngành Khí tượng Thủy văn thực hiện, góp phần tăng cường sự sẵn sàng, khả năng ứng phó để giảm nhẹ các thiệt hại do lũ quét gây ra. Tuy nhiên, đến nay, những tiến bộ trong lĩnh vực thủy văn, khí tượng cũng như sự phát triển của công nghệ GIS và viễn thám vẫn chưa đủ để dự báo thời gian thực nguy cơ lũ quét. Nghiên cứu từ các nước phát triển cho thấy, cần tập trung hơn nữa trong việc đánh giá rủi ro, phát triển một hệ thống cảnh báo sớm hiệu quả với sự hợp tác của cộng đồng địa phương để giám sát rủi ro lũ quét. Trong đánh giá rủi ro lũ quét, việc phân tích các nhân tố khác nhau của các lưu vực sông có vai trò quyết định khi phương pháp về mô hình hóa chưa thực sự phản ánh được quá trình vật lý của lũ quét [78]. Vì các lý do trên, việc nghiên cứu, đánh giá rủi ro do lũ quét có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, góp phần nâng cao hiệu quả phòng chống và giảm nhẹ thiệt hại do thiên tai cho các khu vực miền núi. Lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu là lưu vực thuộc khu vực miền Trung với các đặc điểm điển hình là sông ngắn, độ dốc cao, thời gian tập trung lũ nhanh. Nơi đây cũng đã từng xảy ra nhiều trân lũ, lũ quét trong lịch sử và là khu vực có sự đa dạng về điều kiện dân cư, kinh tế - xã hội và môi trường. Do vậy, nghiên cứu cơ sở khoa học đánh giá rủi ro và cảnh báo nguy cơ lũ quét cho lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu vừa có tính khoa học, vừa có tính thực tiễn.
3 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xác định được phương pháp và bộ tiêu chí đánh giá rủi ro lũ quét cho lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu - Đề xuất được phương pháp xác định được ngưỡng mưa phục vụ cảnh báo nguy cơ lũ quét trên cơ sở nghiên cứu cho một lưu vực cụ thể. 3. Câu hỏi nghiên cứu (1) Bộ tiêu chí nào để định lượng được rủi ro do lũ quét cho các lưu vực sông miền núi? Có thể ứng dụng bộ tiêu chí cho một lưu vực sông trong điều kiện số liệu hiện tại hay không? Làm thế nào để xây dựng được một bộ tiêu chí đánh giá rủi ro có sự tham gia của người dân? (2) Làm thế nào để xác định được ngưỡng mưa sinh lũ quét cho từng vùng cụ thể? Phương pháp mô hình hóa có thể sử dụng để nâng cao độ chính xác và điều chỉnh hệ số triết giảm trong xác định lượng mưa hoạt động trong tính toán ngưỡng mưa sinh lũ quét hay không? 4. Luận điểm bảo vệ (1) Rủi ro lũ quét có thể được định lượng hóa bằng bộ tiêu chí đánh giá rủi ro lũ quét bao gồm: (i) nhóm tiêu chí thành phần hiểm họa; (ii) nhóm tiêu chí phơi bày trước hiểm họa; (iii) nhóm tiêu chí tính dễ bị tổn thương. Bộ tiêu chí này có thể áp dụng thành công cho lưu vực sông miền núi trong điều kiện số liệu hiện tại. Độ tin cậy của nhóm tiêu chí hiểm họa có thể được đánh giá thông qua đường cong đặc tính thu nhận (ROC- Receiver Operating characteristic Curve) thông qua mức độ phân loại AUC (Area Under the Curve). (2) Ngưỡng mưa sinh lũ quét ở lưu vực sông là ngưỡng động phụ thuộc không gian và thời gian trên cơ sở quan hệ giữa lượng mưa lũy tích và cường độ mưa giờ của mỗi trận mưa đã và sẽ xảy ra.
4 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Ngưỡng mưa sinh lũ quét, hiểm họa lũ quét, mức độ phơi bày, tính dễ bị tồn thương và rủi ro lũ quét. Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu là phần lưu vực nhập lưu phía hữu của hệ thống sông Cả - La thuộc địa bàn các huyện Hương Khê, Hương Sơn và Đức Thọ tỉnh Hà Tĩnh. Chuỗi số liệu sử dụng: Nghiên cứu, phân tích bộ số liệu khí tượng, thủy văn từ năm 1976 đến nay. Đối với hiện tượng lũ quét, sử dụng tài liệu các trận xảy ra lũ quét từ thời gian có ghi nhận hiện tượng lũ quét tại lưu vực sông nghiên cứu đến hiện nay. 6. Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện Luận án này, nghiên cứu sinh đã sử dụng cách tiếp cận lịch sử, lưu vực sông, không gian-thời gian, phân tích – tổng hợp. Cùng với đó, một số phương pháp chính được sử dụng gồm phương pháp tổng hợp tài liệu, điều tra, phỏng vấn, chuyên gia, phương pháp tổng hợp tiêu chí, đánh giá độ tin cậy của tiêu chí, phân cấp rủi ro, phương pháp xác định ngưỡng mưa ngưỡng mưa, phương pháp mô hình hóa được sử dụng trong Luận án. 7. Đóng góp mới của luận án Đề xuất được phương pháp và bộ tiêu chí để đánh giá rủi ro lũ quét và đã áp dụng thành công để đánh giá rủi ro lũ quét cho lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu. Xây dựng được phương pháp xác định ngưỡng mưa sinh lũ quét trên cơ sở phân tích đặc trưng cân bằng nước tự nhiên, qua đó đã tiến hành sử dụng phương pháp này để xác định ngưỡng mưa cho lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu. 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Luận án đã xây dựng được phương pháp chung đánh giá rủi ro do lũ quét trên cơ sở sử dụng đầy đủ và tích hợp đa dạng các tiêu chí về mặt tự nhiên và
5 xã hội. Đồng thời, đã xác định ngưỡng mưa phục vụ công tác cảnh báo nguy cơ lũ quét thông qua việc kế thừa phương pháp xác định ngưỡng mưa và có minh chứng cơ sở khoa học để điều chỉnh phương pháp xác định ngưỡng mưa có ý nghĩa quan trọng nhằm nâng cao hiệu quả trong cảnh báo nguy cơ lũ quét. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của Luận án có thể được sử dụng làm cơ sở xây dựng hệ thống cảnh báo lũ quét và đánh giá rủi ro lũ quét trong kế hoạch phòng, chống thiên tai cho các lưu vực sông ở những vùng/khu vực có đặc điểm tương tự. 9. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và phụ lục, Luận án được bố cục thành 3 chương: Chương 1. Tổng quan các nghiên cứu về lũ quét. Chương này trình bày tổng quan các nghiên cứu trên thế giới và trong nước về vấn đề lũ quét, đánh giá rủi ro lũ quét, chỉ số rủi ro lũ quét, và các nghiên cứu về cảnh báo lũ quét, ngưỡng mưa sinh lũ quét. Đồng thời, tổng hợp các thông tin về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội học và thực trạng lịch sử lũ quét tại lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu. Chương 2. Phương pháp và số liệu nghiên cứu. Chương này giới thiệu các phương pháp sử dụng trong nghiên cứu nhằm xây dựng bộ tiêu chí đánh giá rủi ro lũ quét cho các lưu vực sông miền núi và dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu. Chương 3. Đánh giá và cảnh báo rủi ro lũ quét cho lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu. Trong phần này, tác giả tập trung thể hiện kết quả điều tra khảo sát xã hội học tại khu vực nghiên cứu dưới tác động của lũ quét làm cơ sở thực tiễn đề xuất bộ tiêu chí hiểm họa, phơi bày trước hiểm họa và tính dễ bị tổn thương. Trên cơ sở đó, áp dụng bộ tiêu chí đánh giá rủi ro lũ quét cho lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu. Tiếp đó, Luận án ứng dụng mô hình hóa xác định cân
6 bằng nước nhằm cải tiến phương pháp thực nghiệm xác định ngưỡng mưa sinh lũ quét cho các tiểu lưu vực của lưu vực sông Ngàn Phố - Ngàn Sâu.
7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ LŨ QUÉT 1.1. Một số khái niệm Lũ quét (Lã Thanh Hà, 2017) là một loại lũ xảy ra bất ngờ trên các lưu vực sông suối nhỏ miền núi, dòng chảy xiết, thường kèm theo bùn đá, lũ lên nhanh, xuống nhanh, có sức tàn phá lớn với thời đoạn ngắn [7]. Rủi ro thiên tai (RRTT), theo IPCC, 2012 được hiểu là khả năng xảy ra các thay đổi nghiêm trọng trong các chức năng bình thường của một cộng đồng hay một xã hội ở một giai đoạn cụ thể, do các hiểm họa tự nhiên tương tác với các điều kiện dễ bị tổn thương của xã hội, dẫn đến các ảnh hưởng bất lợi [59]. Hiểm họa (Hazard) là sự xuất hiện tiềm tàng của các hiện tượng tự nhiên hoặc do con người gây ra có thể gây thương tật, chết người hoặc ảnh hưởng sức khỏe, làm hư hại hoặc mất mát tài sản, cơ sở hạ tầng, sinh kế, cung cấp dịch vụ và tài nguyên môi trường [59]. Mức độ phơi bày trước hiểm họa (Exposure - E) được sử dụng để chỉ sự hiện diện (theo vị trí) của con người, sinh kế, các dịch vụ môi trường và các nguồn tài nguyên, cơ sở hạ tầng, hoặc các tài sản kinh tế, xã hội hoặc văn hóa ở những nơi có thể chịu những ảnh hưởng bất lợi bởi các hiện tượng tự nhiên và vì thế có thể là đối tượng của những tổn hại, mất mát, hư hỏng tiềm tàng trong tương lai [59]. Tính dễ bị tổn thương (Vulnerability - V) là xu hướng hay khuynh hướng bị ảnh hưởng xấu. Khuynh hướng này cấu thành một đặc tính nội bộ của các yếu tố ảnh hưởng. Trong lĩnh vực rủi ro thiên tai, điều này bao gồm các đặc tính của một người hoặc một nhóm và tình hình của họ có ảnh hưởng đến khả năng để dự đoán, đối phó, chống lại, và phục hồi từ các tác động có hại của các hiện tượng vật lý [59].