Trong những năm qua việc quản lý lũ bằng các phương án công trình như đê và hồ chứa, được thiết kế với các trận lũ có tần suất khác nhau đã chiếm ưu thế. Đây
28
là cách tiếp cận nhằm giảm thiên tai lũ, nghĩa là giảm xác suất xuất hiện, cường độ lưu lượng lũ, cũng như giảm diện ngập lụt.
Nhưng trong thời gian gần đây đã có sự phát triển quan trọng đó là chuyển mục tiêu quản lý thiên tai sang quản lý rủi ro lũ, trong đó rủi ro lũ là những thiệt hại do lũ lụt gây ra với một tần suất nhất định trong một khoảng thời gian xác định. Vì thế, việc đánh giá những thiệt hại, tổn thương lũ cần được nghiên cứu một cách cẩn trọng trong quản lý rủi ro lũ.Việc đánh giá thiệt hại, tổn thương lũ đang đạt được những kết quả quan trọng phục vụ cho việc đưa ra các quyết định trong quản lý rủi ro lũ thông qua các bước sau:
Đánh giá tổn thương lũ: Các đối tượng trong vùng lũ như nhà ở, cộng đồng, công trình vv…bị tổn thương một cách biến động không chỉ theo không gian, thời gian mà còn phụ thuộc vào khả năng chống chịu của người dân tại đó. Ví dụ, các cộng đồng phải thường xuyên đối mặt với lũ lụt, họ sẽ phát triển các chiến lược đối phó với các hiện tượng đó. Còn các cộng đồng không phải đối mặt với các trận lũ lụt thường bỏ qua việc thích nghi với các nguy cơ lũ, vì thế họ sẽ bị tổn thương lớn hơn khi phải đối diện với lũ. Do đó, những đánh giá về tổn thương lũ đóng vai trò quan trọng trong bài toán xác định phương án giảm rủi ro thích hợp, như phát triển các kế hoạch khẩn cấp và thực hiện các bài tập trong tình huống khẩn cấp.
Bản đồ hóa tổn thương lũ: Bản đồ tổn thương lũ là một phần quan trọng trong quản lý rủi ro lũ, cung cấp những thông tin về đối tượng, thể hiện một cách trực quan về những rủi ro tiềm tàng trong vùng có nguy cơ lũ.
Quyết định tối ưu cho các phương án giảm nhẹ lũ: An toàn lũ và giảm thiểu tổn thương lũ là mục đích của bài toán, do vậy việc lựa chọn các phương án giảm thiểu tổn thương lũ phải được xác định, và những lợi ích, chi phí cho các lựa chọn khác phải được định lượng và so sánh. Những bước này nhằm sử dụng chi phí quản lý rủi ro một cách hiệu quả, do vậy những đánh giá thiệt hại, tổn thương lũ là một yếu tố quan trọng.
Đánh giá tài chính ngay sau lũ được thực hiện khi lũ xảy ra, Cơ quan quản lý thiên tai và Chính phủ cần đánh giá nhanh những thiệt hại, tổn thương do lũ, để dự
29
thảo ngân sách và đưa ra các quyết định về bồi thường thiệt hại cho các đối tượng trong vùng bị lũ lụt.
2.3. TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Trong khoảng 30 năm trở lại đây, thì tính dễ bị tổn thương được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu nhiều trong các lĩnh vực như: kinh tế - xã hội, môi trường, tự nhiên, thiên tai. Tuy nhiên các nghiên cứu về tính dễ bị tổn thương do ngập lụt thì mới được nghiên cứu trong những năm gần đây theo các cách tiếp cận khác nhau như:
Năm 2006, Villagra’n de Leo’n JC [29] đã đưa ra mối quan hệ giữa tính dễ tổn thương lũ, sự lộ diện, tính nhạy và khả năng chống chịu qua công thức:
Trong khi đó UNESCO – ihe lại đưa ra một cách tính khác:
Tổn thương lũ = Sự lộ diện + Tính nhạy - Khả năng phục hồi (2.2) Trong đó, sự lộ diện được hiểu như là các giá trị có mặt tại vị trí lũ lụt có thể xảy ra. Những giá trị này có thể là hàng hóa, cơ sở hạ tầng, di sản văn hóa, con người, nông nghiệp… hay sự lộ diện có thể được hiểu là mức độ phơi bày của tài sản, con người nằm trong vùng nguy cơ lũ. Sự lộ diện phụ thuộc vào tần suất xuất hiện con lũ, cường độ lũ và giá trị tài sản, con người có mặt tại đó.
Tính nhạy được định nghĩa là các yếu tố tiếp xúc trong hệ thống, ảnh hưởng đến xác suất bị tổn hại ở những thời điểm nguy hại của lũ lụt. Tính nhạy liên quan đến các đặc tính của hệ thống, bao gồm bối cảnh xã hội của dạng thiệt hại do lũ. Đặc biệt là nhận thức và sự chuẩn bị sẵn sàng của người dân trước nguy cơ lũ, các tổ chức liên quan đến giảm nhẹ thiên tai, các biện pháp bảo vệ cộng đồng trước lũ.
Khả năng phục hồi là khả năng của hệ thống chịu được những xáo trộn do lũ gây ra và duy trì hiệu quả các hoạt động của thành phần kinh tế xã hội, môi trường, vật lý của hệ thống.
(2.1 )
30
Trong tình hình thực tế, rất khó khăn để đánh giá tính nhạy cảm, khả năng phục hồi và khả năng đối phó một cách riêng biệt cho các cộng đồng, do vậy những khía cạnh đó có thể được kết hợp thành khả năng chống chịu, trong một nghiên cứu gần đây [4] đã đưa ra một công thức tính tổn thương gây ra bởi lũ, ngập lụt như sau:
Tổn thương = Sự lộ diện - Khả năng chống chịu (2.3) Nếu như sự lộ diện thể hiện sự phơi bày của tài sản, con người trước nguy cơ lũ thì khả năng chống chịu lại đặc trưng cho các biện pháp mà con người sử dụng trước thiên tai nhằm chống lại những thương tổn do lũ gây ra. Khả năng chống chịu phụ thuộc vào sự nhận thức của cộng đồng, các biện pháp phòng chống lũ, sự hỗ trợ của các cơ quan chức năng, công tác cảnh báo lũ, sự phục hồi sau lũ.
Một hướng nghiên cứu khác đánh giá tổn thương lũ dựa vào bản thân cộng đồng dân cư mà không xét đến sự lộ diện của cộng đồng đó trước nguy cơ lũ. Nghiên cứu của Conner (2007) [23] đã đưa các biện pháp công trình và phi công trình vào tính toán chỉ số tổn thương lũ, thể hiện khả năng chống chịu của cộng đồng dân cư. Sebastian (2010) [25] đã xác định tính tổn thương lũ là sự kết hợp giữa xác suất tác động (thiệt hại) và khả năng chống chịu. Theo cách tiếp cận này thì tính tổn thương lũ của các cộng đồng sống ven sông ngang bằng với những cộng đồng sống ở vùng cao. Các cách tiếp cận đánh giá tổn thương lũ đó chỉ xem tính tổn thương lũ là một yếu tố trong việc xác định rủi ro lũ và chỉ tập trung vào một mặt nhất định như kinh tế hay khả năng chống chịu của cộng đồng.
Trong nghiên cứu của Viet Trinh (2010) [28] về “Đánh giá rủi ro do lũ cho lưu vực sông Thạch Hãn tỉnh Quảng Trị”, tác giả đã đánh giá rủi ro do lũ dựa trên bản đồ nguy cơ do lũ và bản đồ tính dễ bị tổn thương, coi tính dễ tổn thương do lũ là một hàm của bản đồ sử dụng đất và mật độ dân số chưa xét đến khả năng chống chịu của cộng đồng. Với cách tiếp cận này, Viet Trinh chỉ dựa trên mật độ giá trị của các vùng khác nhau trong khu vực nghiên cứu, dựa trên giả thiết tính dễ bị tổn thương của cộng đồng với cùng các điều kiện kinh tế xã hội là giống nhau.
31
đồng bằng sông Hồng, Việt Nam” của Mai Dang (2010) [11] thì khái niệm tính dễ bị tổn thương đã được mở rộng, bao gồm các vấn đề kinh tế, xã hội và môi trường. Trong nghiên cứu đó, tác giả đã đánh giá trọng số ảnh hưởng của các yếu tố đến tính dễ tổn thương lũ như: mật độ dân số, nhận thức của cộng đồng, các công trình phòng lũ, sự ô nhiễm, sự xói mòn và nhiều yếu tố khác. Trong khi Birkman (2006) [17] lại đưa thêm các thành phần liên quan đến các tổ chức xã hội để xác định tổn thương lũ.
Với các cách tiếp cận ở trên, tuy đã sử dụng khía cạnh kinh tế để đánh giá tính dễ bị tổn thương lũ, nhưng chưa tính đến khả năng chống chịu của cộng đồng cũng như sự hiểu biết, khả năng nhận thức rủi ro, sự chuẩn bị, các công trình và biện pháp phòng chống lũ vv… Các yếu tố này, thực chất rất quan trọng trong việc đánh giá các tổn thương do lũ. [7]
Trong nghiên cứu mới đây của tác giả Đặng Đình Khá (2011) [5], thì tổn thương lũ được xác định qua khả năng phục hồi, tính nhạy và sự lộ diện của các đối tượng trước nguy cơ lũ, tuy nhiên việc rạch ròi giữa tính nhạy và khả năng phục hồi trong thực tế thường gặp nhiều khó khăn. Do vậy [5] đã kết hợp tính nhạy và khả năng phục hồi thành khả năng chống chịu của người dân, với công thức tính tổn thương như sau:
Tổn thương = Sự lộ diện – Khả năng chống chịu (2.4)
Qua việc phân tích các đặc điểm địa lý tự nhiên, kinh tế xã hội và tình hình ngập lụt trên lưu vực sông Nhuệ Đáy, nghiên cứu thấy rằng công thức (2.4) khá phù hợp với điều kiện vùng nghiên cứu.
2.4. CÁC BƯỚC ĐÁNH GIÁ TÍNH DỄ BỊ TỔN THƯƠNG DO LŨ, NGẬP LỤT NGẬP LỤT
Dựa trên công thức (2.3) luận văn đã xây dựng khung tính toán tính tổn thương lũ gồm 4 bước:
Bước 1: Xây dựng bản đồ nguy cơ lũ, ngập lụt
Bước 2: Xây dựng bản đồ độ lô diện của các đối tượng trước lũ, ngập lụt Bước 3. Xây dựng bản đồ khả năng chống chịu của người dân
32
Bước 4: Xây dựng bản đồ tính dễ bị tổn thương do lũ, ngập lụt
Nội dung công việc của tưng bước được cụ thể hóa và minh họa trong hình 2.1.
Qua hình 2.1, để xây dựng được bản đồ tổn thương lũ cần xác định đựơc sự lộ diện của các đối tượng trước lũ và khả năng chống chịu của cộng đồng. Trong đó sự phơi bày của các đối tượng trước lũ được thành lập dựa trên bản đồ nguy cơ lũ và bản đồ sử dụng đất. Ở đây bản đồ nguy cơ lũ được tích hợp dựa trên ba bản đồ: bản đồ độ sâu ngập, bản đồ thời gian ngập, bản đồ vận tốc đỉnh lũ. Các bản đồ này là kết quả đầu ra của mô hình thủy lực, cụ thể là mô hình thủy lực MIKE FLOOD đã được sử dụng để xây dựng bản đồ nguy cơ lũ.
Bản đồ nguy cơ lũ có thể được đánh giá thông qua các chỉ số cơ bản như bản đồ ngập lụt, thời đoạn lũ, vận tốc lũ, xung lượng lũ (là tích của mực nước lũ và vận tốc lũ), vật liệu trong dòng lũ (trầm tích, muối, các chất hóa học, nước thải và đất
33
đá) vv…Trong các yếu tố đó thì độ sâu ngập lụt, vận tốc đỉnh lũ, thời gian ngập lụt đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định các thiệt hại về lũ. Sự tích hợp giữa độ sâu ngập và vận tốc đỉnh lũ thể hiện khả năng phá hủy các đối tượng trên vùng mà lũ đi qua, ảnh hưởng trực tiếp đến các đối tượng như nhà cửa, các công trình, tính mạng của người dân và sức khỏe của cộng đồng. Thời đoạn lũ hay thời gian ngập lụt lại ảnh hưởng gián tiếp đến sự phá hủy như làm ngập úng hoa màu, gián đoạn các hoạt động kinh tế xã hội, gây ô nhiễm, bệnh dịch vv… Để đánh giá được nguy cơ lũ trong vùng nghiên cứu luận văn đã sử dụng bộ mô hình MIKE FLOOD để mô phỏng lại các trận lũ trong lịch sử để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình và qua đó mô phỏng cho trận lũ với tần suất 1% . Dựa trên phương pháp chồng xếp bản đồ độ sâu ngập, vận tốc lũ, thời gian ngập (kết quả đầu ra của mô hình MIKE FLOOD) theo trọng số nghiên cứu đã xây dựng bản đồ nguy cơ lũ ứng với tần suất lũ 1%.
2.5. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH MIKE FLOOD
Mô hình MIKE FLOOD được phát triển bởi Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) thực chất là phần mềm liên kết giữa mô hình MIKE 11 và MIKE 21 đã được xây dựng trước đó. Mô hình MIKE FLOOD thực hiện các kết nối giữa mô hình MIKE 11 (tính toán thủy lực mạng sông 1 chiều) với mô hình MIKE 21 (mô phỏng dòng chảy nước nông 2 chiều theo phương ngang) bằng 4 loại kết nối [1,3]: a) kết nối tiêu chuẩn: sử dụng khi một nhánh sông một chiều đổ trực tiếp vào vùng ngập 2 chiều; b) kết nối bên: sử dụng khi một nhánh sông nằm kề vùng ngập, và khi mực nước trong sông cao hơn cao trình bờ thì sẽ kết nối với ô lưới tương ứng của mô hình 2 chiều; c) kết nối công trình (ẩn): sử dụng các dạng liên kết qua công trình; và d) kết nối khô (zero flow link): là kết nối không cho dòng chảy tràn qua.
Bộ mô hình này có thể tích hợp nhiều mô đun khác nhau, nhưng trong khuôn khổ nghiên cứu chỉ sử dụng mô đun RR (mô hình mưa-dòng chảy NAM) để tạo dòng chảy biên đầu vào cho mô hình thủy lực mạng sông (HD) kết hợp với mô hình thủy lực 2 chiều MIKE 21. Giới thiệu và mô tả chi tiết về mô hình MIKE FLOOD và các khả năng ứng dụng của mô hình có thể dễ dàng tìm thấy trong các tài liệu và nghiên cứu gần đây [1, 3, 4, 32, 33, 34, 35].
34
2.5.1. Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 11
MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do DHI (Viện Thuỷ lực Đan Mạch) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây,được ứng dụng để mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác. MIKE 11 là một phần mềm độc lập trong bộ phần mềm MIKE bao gồm rất nhiều các phần mềm con có các chức năng và nhiệm vụ khác nhau như MIKE 11,MIKE 21, MIKE 31, MIKE GIS, MIKE BASIN, MIKE SHE, MIKE MOUSE... và trong MIKE 11 lại bao gồm nhiều mô-đun có các khả năng và nhiệm vụ khác nhau như:
- Mô đun thuỷ lực (HD)
- Mô đun mưa dòng chảy (RR)
- Mô đun tải - khuyếch tán (AD)
- Mô đun chất lượng nước (WQ) và một số các mô đun khác.
Trong mô hình MIKE 11 thì mô đun thuỷ lực (HD) là phần trung tâm của mô hình, tuy nhiên, tuỳ theo mục đích mà chúng ta kết hợp sử dụng với các mô đun khác một cách hợp lý và khoa học.
Trong hoàn cảnh cụ thể, đôi khi không có đủ số liệu thực đo về lưu lượng để làm biên đầu vào cho mô hình thuỷ lực, do đó ta phải tìm cách xây dựng và khôi phục lại số liệu dòng chảy từ các số liệu đã có, cụ thể là trong đề tài này, mô đun mưa - dòng chảy (RR) được áp dụng để tính toán, khôi phục các số liệu dòng chảy cần thiết phục vụ cho đầu vào của mô hình thuỷ lực [32]
2.5.1.1. Cơ sở lý thuyết của mô hình mưa dòng chảy (mô hình NAM)
a) Giới thiệu mô hình NAM
Để tính toán quá trình hình thành dòng chảy từ mưa trên các lưu vực sông thì MIKE11 với mô đun mô hình NAM là công cụ khá mạnh. Mô hình NAM là cụm từ viết tắt của Nedbor-Afstromnings Model. Mô hình này được Nielsen và Hansen xây dựng tại khoa Tài nguyên nước và Thủy động lực - Trường Đại học Bách Khoa Đan Mạch năm 1973.
35
NAM là một mô hình thủy văn nhận thức dạng bể chứa, mô hình quan niệm lưu vực là các bể chứa xếp chồng nhau, trong đó mỗi bể chứa đặc trưng cho một môi trường có chứa các yếu tố gây ảnh hưởng đến quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực, và các bể chứa được liên kết với nhau bằng các biểu thức toán học. Trong mô hình NAM, mỗi một lưu vực được xem như một đơn vị xử lý với các thông số là đại diện cho các giá trị được trung bình hóa trên toàn lưu vực. Mô hình NAM tính toán quá trình mưa dòng chảy theo cách tính liên tục hàm lượng ẩm trong các bể chứa riêng biệt tương tác lẫn nhau. Cấu trúc của các bể bao gồm :
Bể chứa tuyết được kiểm soát bằng các điều kiện nhiệt độ và bức xạ, tuy nhiên sẽ không được xét đến trong điều kiện ở Việt Nam.