ỨNG DỤNG MẠNG THẦN KINH NO RON để dự báo mực nước lũ tại hệ THỐNG SÔNG THU bồn VU GIA

Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước

• Các đề tài được thực hiện ở ngoài nước

Biến đổi khí hậu trong những năm gần đây đã có những tác động phức tạp đến đời sống kinh tế và xã hội Tuy nhiên, tiến bộ trong việc ứng dụng mô hình dự báo thảm họa thiên nhiên đã giúp giảm thiểu rủi ro và đề xuất các chính sách hiệu quả Việc sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) trong dự báo các thông số khí tượng như bức xạ mặt trời, lượng mưa và dòng chảy, đặc biệt là trong dự báo dòng chảy lũ, đã được nghiên cứu rộng rãi Các mô hình như mạng thần kinh nhân tạo (ANN), hệ thống giao thoa mờ thần kinh thích nghi (ANFIS) và hệ thống tích hợp thần kinh-GA (ANGIS) đã được áp dụng để cải thiện hiệu quả dự báo lũ tại khu vực lưu vực sông Ajay, Ấn Độ Hệ thống suy luận mờ dựa trên phân cụm Takagi Sugeno cũng được đề xuất để nâng cao khả năng dự báo lũ, trong khi các mô hình hồi quy đã chứng minh được tính đáng tin cậy trong dự báo.

Mặc dù nhiều kỹ thuật AI đã được phát triển và cho thấy tiềm năng trong việc dự báo dòng chảy lũ, nhưng hiện tượng này vẫn là một trong những hiện tượng phi tuyến ngẫu nhiên nhất trong tự nhiên, do đó cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn.

• Các đề tài được thực hiện ở trong nước

Các mô hình vật lý dự báo dòng chảy lũ yêu cầu kiến thức chuyên sâu về thủy văn nhưng thường gặp khó khăn trong việc dự đoán lũ ngắn hạn do tính phức tạp của dữ liệu Trong những năm gần đây, ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong dự báo lũ đã thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong nước, mặc dù vẫn còn hạn chế Do đó, phát triển một mô hình dự báo dòng chảy lũ tin cậy bằng trí tuệ nhân tạo là một vấn đề cấp thiết cần được giải quyết.

Tính cấp thiết

Hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia là hệ thống sông lớn nhất khu vực Trung Trung

Hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia, một trong những hệ thống sông lớn nhất miền Trung và cả nước, có diện tích lưu vực trên 10.300 km² và chiều dài 205 km Tuy nhiên, hệ thống này không chỉ cung cấp nước mà còn gây ra các trận lũ lụt nghiêm trọng, như các trận lũ lịch sử vào năm 1964, 1998 và 1999, gây thiệt hại lớn về người và tài sản Để cải thiện khả năng dự báo lũ lụt, nhiều mô hình thủy văn – thủy lực đã được áp dụng, nhưng thường yêu cầu nhiều số liệu đầu vào chính xác và tốn thời gian Đề tài này đề xuất ứng dụng mạng thần kinh để dự báo lũ, với ưu điểm không cần nhiều dữ liệu đầu vào như hệ số nhám lòng sông hay bản đồ sử dụng đất, giúp nâng cao hiệu quả và kịp thời trong công tác dự báo lũ.

Mục tiêu

Huấn luyện và kiểm tra mô hình mạng thần kinh nhân tạo nhằm dự báo lưu lượng lũ tại hệ thống sông Thu Bồn được thực hiện bằng cách sử dụng chuỗi số liệu lượng mưa và lưu lượng Việc áp dụng các phương pháp hiệu chỉnh mô hình giúp nâng cao độ chính xác trong dự báo, từ đó hỗ trợ công tác quản lý và ứng phó với tình hình lũ lụt hiệu quả hơn.

Cách tiếp cận

- Thuật toán mạng thần kinh truyền thẳng nhiều lớp (MLP)

- Thuật toán mạng thần kinh tái phát (RNN)

- Thu thập dữ liệu mưa tại trạm đo Thành Mỹ, Tiên Phước, Hiệp Đức and Nông Sơn và dòng chảy tại trạm Nông Sơn.

Phương pháp nghiên cứu

- Xây dựng, và tối ưu các mô hình dựa trên mạng thần kinh truyền thẳng nhiều lớp (MLP) và mạng thần kinh tái phát (RNN).

- Lựa chọn mô hình tối ưu nhất cho lưu vực Thu Bồn-Vu gia.

Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1: Tổng quan nghiên cứu

Nội dung 2: Phương pháp nghên cứu

Nội dung 3: Cấu trúc mô hình mô phỏng dòng chảy lũ tại lưu vực sông Thu Bồn-Vu gia.

Nội dung 4: Kết quả nghiên cứu

Nội dung 5: Kết luận và kiến nghị

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

Vị trí địa lý, địa hình

Lưu vực Hệ thống sông Thu Bồn-Vu Gia tọa lạc trong khoảng vĩ độ Bắc từ 14°56' đến 16°05' và kinh độ Đông từ 107°013' đến 108°028' Diện tích của lưu vực này ước tính khoảng

Diện tích tự nhiên của tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng lên tới 10.350 km², trong đó có 500 km² nằm ở thượng nguồn sông Cái thuộc tỉnh Kontum Dòng chính của hệ thống thủy văn này được hình thành từ sông Thu Bồn và sông Vu Gia, với tổng chiều dài 205 km Hệ thống sông này có hai cửa, bao gồm Cửa Đại tại Hội An, Quảng Nam và cửa Hàn thuộc thành phố Đà Nẵng.

Hình 1 Sơ đồ phân chia tiểu lưu vực sông Thu Bồn - Vu Gia

Hệ thống sông Thu Bồn là một trong chín hệ thống sông lớn nhất Việt Nam, với lưu vực được giới hạn phía bắc bởi dãy núi Bạch Mã, một nhánh của dãy Trường Sơn Bắc, và phía tây bởi khối núi đầu dãy Trường Sơn Nam, nơi có những đỉnh núi cao trên 2000 m như núi Lumheo.

2045 m, núi Tion cao 2032 m, A Tuất, phía tây namlà khối núi Kon Tum với đỉnh Ngọc Linh cao 2598 m, phía đông là biển Đông.

Dãy núi này đóng vai trò là đường phân nước giữa hệ thống sông Thu Bồn và sông Hương ở tỉnh Thừa Thiên Huế phía bắc, sông Sê Công thuộc Lào ở phía tây, cùng với sông Sê San tại tỉnh Kon Tum ở phía tây nam.

Vùng chuyển tiếp từ vùng núi cao đến đồng bằng là một khu vực đồi núi rộng lớn, với các dãy núi chạy theo hướng nam - bắc, có độ cao từ 100 đến 800 m Ở phía bắc, vùng trung du có địa hình thấp dưới 300 m, tập trung tại các huyện Đại Lộc và Điện Bàn Trên lưu vực sông Thu Bồn, các dãy núi có độ cao từ 500 đến 800 m nằm ở các huyện Tiên Phước, Hiệp Đức và Quế Sơn, với địa hình dần thấp hơn từ nam ra bắc Phía nam của khu vực này có những đồi núi dạng bát úp, chủ yếu tại các huyện Tiên Phước và Núi Thành.

Vùng đồng bằng Quảng Nam có địa hình thấp dưới 30 m, trải dài qua các huyện như Đại Lộc, Duy Xuyên, Điện Bàn, Thăng Bình, Hội An và Tam Kỳ Khu vực này tiếp giáp với vùng trung du và bị xen kẽ bởi những ngọn núi bát úp, nhưng vẫn là nguồn cung cấp lương thực chính cho tỉnh Quảng Nam.

Tiếp giáp với biển, các dải cát dài tạo thành những con đê tự nhiên, giúp giảm khả năng thoát lũ cho vùng hạ lưu và hình thành các hồ đầm xen kẽ Địa hình lưu vực chủ yếu là đồi núi, chiếm gần 2/3 diện tích, trong khi phần còn lại là đồng bằng hẹp chạy dọc theo biển, với độ cao giảm dần từ tây sang đông Ven biển, các cồn cát ngăn cách đồng bằng với biển, và tại Đà Nẵng, có những ngọn núi nằm sát biển Dãy Trường Sơn và các dãy núi cao bao bọc 3 phía đã ảnh hưởng lớn đến chế độ khí hậu - thủy văn khắc nghiệt của lưu vực, tạo ra hai mùa khí hậu rõ rệt: mùa khô thiếu nước và mùa mưa thừa nước, dẫn đến lũ lụt nghiêm trọng.

Địa chất, thổ nhưỡng

Trong lưu vực hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia có các loại đá sau:

Đá kết tinh Gơ-nai, amphibolit và đá phiến thạch anh cùng với các thành tạo mác ma xâm nhập grano-dioxitgnai phân bố chủ yếu ở vùng nam Quảng Nam, đặc biệt tại các huyện Trà My, Phước Sơn, Tiên Phước và phía nam huyện Hiệp Đức.

Đá gốc trầm tích cát bột kết và đá mác ma xâm nhập thuộc phức hệ Quế Sơn phân bố rộng rãi ở vùng bắc Quảng Nam Các huyện có sự hiện diện của loại đá này bao gồm Hiên, Nam Giang, Quế Sơn, Hiệp Đức, cùng với vùng tây của các huyện Hòa Vang, Đại Lộc, Duy Xuyên, Thăng Bình, và một phần vùng cao phía tây các huyện Tam Kỳ, Núi Thành.

Trầm tích đệ tứ bao gồm các thành tạo aluvi cổ và trẻ, phân bố chủ yếu ở các vùng đồi núi và đồng bằng ven biển Các khu vực này chủ yếu nằm trong địa phận các huyện như Hòa Vang, Điện Bàn, Đông Duy Xuyên, Hội An, Đông Thăng Bình và Tam Kỳ.

1.1.2.2 Thổ nhưỡng Địa hình Quảng Nam - Đà Nẵng rất đa dạng nên đất đai thổ nhưỡng cũng rất phong phú Trên lưu vực Hệ thống sông Thu Bồn-Vu Gia có các nhóm đất sau:

Nhóm đất cồn cát và đất cát biển có diện tích khoảng 9779 ha, hình thành ven biển sông Thu Bồn từ Đà Nẵng đến Duy Nghĩa Những dải cát ở đây có kích thước khác nhau, phụ thuộc vào sự tương tác giữa sóng biển và dòng chảy sông Do ảnh hưởng của gió mùa, cồn cát di động được phân loại thành hai loại: cồn cát trắng ở các bãi bồi hạ lưu sông Thu Bồn và đất cát biển tại vùng cửa sông ven biển thuộc các huyện Điện Bàn, Hội An, Quế Sơn.

- Nhóm đất mặn: Diện tích khoảng 3058 ha, phân bố ở vùng phía đông huyện Duy Xuyên, Hội An.

- Nhóm đất phèn: Phân bố ở vùng đông huyện Điện Bàn, chiếm diện tích khoảng

- Nhóm đất phù sa phân bố ở hạ lưu sông Thu Bồn, sông Tam Kỳ và một số vùng ở trung lưu, gồm 5 loại:

Phù sa bồi phân bố chủ yếu trên các địa hình trung bình và thấp ven sông, trải dài từ bắc huyện Trà My đến huyện Duy Xuyên và thị xã Hội An, với tổng diện tích khoảng 14.784 ha.

• Phù sa không được bồi, phân bố ở đồng bằng ven biển, diện tích 4412 ha.

• Phù sa gây phân bố ở những vùng trũng, hay ngập nước diện tích 5227 ha.

• Phù sa cổ tầng loang lổ phân bố ở địa hình tương đối cao.

• Phù sa sông suối ở các lưu vực sông suối nhỏ diện tích 13901 ha.

- Nhóm đất xám bạc mầu phân bố ở hầu hết các huyện vùng trung du sông Thu Bồn, diện tích 12.910 ha.

Nhóm đất đen, còn được gọi là Ron Zin, là loại đất hình thành tại chỗ từ quá trình phong hoá đá vôi Loại đất này chủ yếu tập trung tại huyện Nam Giang, với tổng diện tích khoảng 464 ha.

Nhóm đất vàng là loại đất chua, nghèo kiềm và kiềm thô, với mức độ bão hòa bazơ thấp Loại đất này chủ yếu phân bố ở các huyện trung du và miền núi như Trà My, Tiên Phước, Quế Sơn, Hiệp Đức, và tổng diện tích của nó lên tới 275.041 ha.

- Nhóm đất mùn đỏ trên núi phân bố chủ yếu ở vùng núi cao Trà My, Nam Giang, Phước Sơn, Quế Sơn, Đại Lộc.

Nhóm đất thung lũng dốc tụ là kết quả của quá trình bào mòn núi, với đất di chuyển không xa và tập trung tại các thung lũng Loại đất này chủ yếu phân bố ở vùng trung du và núi cao của các huyện như Đông Giang, Tây Giang, Trà My, Tiên Phước, Hiệp Đức, Quế Sơn, và chiếm tổng diện tích khoảng 3997 ha.

Thực vật

Lưu vực sông Thu Bồn-Vu Gia là khu vực đa dạng về thực vật, với nhiều loại rừng phong phú Sự giao lưu giữa các luồng thực vật tại đây tạo nên một hệ sinh thái độc đáo, góp phần vào sự đa dạng sinh học của vùng.

- Kiểu rừng kín thường xanh mưa ẩm á nhiệt đới, phân bố từ độ cao trên 1000 m.

- Kiểu rừng kín nửa rụng lá hơi ẩm nhiệt đới.

- Kiểu rừng thưa cây lá rộng hơi khô nhiệt đới.

- Kiểu rừng thưa cây lá kim hơi khô nhiệt đới.

- Kiểu rừng kín thường xanh mưa ẩm á nhiệt đới núi thấp, phân bố ở độ cao dưới

Tại Quảng Nam năm 2004 diện tích rừng còn khoảng 449.165 ha, trong đó rừng tự nhiên khoảng 389.629, rừng trồng 59.520, đất ươm cây giống 16 ha.

Đặc điểm khí hậu thuỷ văn

Trung Trung Bộ, đặc biệt là hệ thống sông Thu Bồn-Vu Gia, chịu ảnh hưởng của khí hậu nhiệt đới gió mùa giống như nhiều vùng khác ở Việt Nam Tuy nhiên, do đặc điểm địa hình, địa chất và thảm thực vật, khu vực này có những nét riêng trong chế độ khí hậu Dưới đây là một số đặc trưng cơ bản của khí hậu tại lưu vực này.

Số giờ nắng trung bình năm từ 1800 giờ đến 2200 giờ giảm dần từ đồng bằng lên miền núi cao phía Tây, bảng 1

Trong mùa hè, số giờ nắng trung bình hàng tháng dao động từ 200 đến 250 giờ, trong khi mùa đông chỉ đạt dưới 150 giờ Đặc biệt, tháng 7 ghi nhận số giờ nắng trung bình cao nhất trong năm.

12 có số giờ nắng thấp nhất.

Bảng 1 Đặc trưng trung bình tháng, năm của các yếu tố khí tượng

Số giờ nắng (giờ) Đà Nẵng 141.

Nhiệt độ không khí trung bình tại Đà Nẵng dao động từ 21.6°C đến 29.2°C, trong khi Tam Kỳ có nhiệt độ từ 21.6°C đến 28.9°C và Trà My từ 20.8°C đến 27.2°C Độ ẩm không khí tương đối trung bình ở Đà Nẵng là 84.8% đến 76.7%, Tam Kỳ từ 87.7% đến 76.5%, và Trà My từ 89.4% đến 83.7% Về lượng mây, Đà Nẵng có chỉ số trung bình từ 8.4 đến 9.2, Tam Kỳ dao động từ 6.4 đến 8.6, trong khi Trà My từ 6.4 đến 9.3.

Tốc độ gió trung bình (m/s) Đà Nẵng 1.5 1.7 1.8 1.7 1.5 1.2 1.2 1.2 1.3 1.7 2.0 1.5 1.5 Tam Kỳ 1.6 1.6 1.7 1.8 1.8 2.0 1.9 1.9 1.9 2.1 2.3 2.0 1.9 Trà My 0.7 0.9 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.7 0.6 0.7 0.7 0.6 0.7 Bốc thoát hơi tiềm năng (mm) Đà Nẵng 64.2 61.8 76.3 80.6 96.8 109.6 117.5 112.9 79.9 68.6 62.6 58.2 988.9

Nhiệt độ không khí trung bình hàng năm dao động từ 24 đến 26 độ C, với mức cao hơn ở vùng đồng bằng ven biển và thấp hơn ở miền núi do ảnh hưởng của độ cao Nhiệt độ cũng thay đổi theo mùa, với nhiệt độ trung bình tháng nằm trong khoảng 21-29 độ C Tháng 6 và tháng 7 thường ghi nhận nhiệt độ cao nhất, trong khi tháng 1 là tháng lạnh nhất Theo dữ liệu nhiều năm, nhiệt độ tối cao tuyệt đối đạt 40,5 độ C tại Trà.

My - ngày 10 tháng 4 năm 1983), nhiệt độ không khí tối thấp tuyệt đối là 10.4 o C (Trà My - ngày 25 tháng 12 năm 1999).

Độ ẩm không khí tương đối trung bình năm dao động từ 80-90%, với mức độ tăng dần từ vùng đồng bằng lên vùng núi cao Trong các tháng mùa đông xuân (từ tháng 9 đến tháng 4), độ ẩm tương đối trung bình thường cao, trong khi vào cuối mùa hè và đầu mùa thu (tháng 5-8), độ ẩm giảm, đặc biệt tháng 7 là tháng có độ ẩm thấp nhất.

Lượng mây trung bình hàng năm dao động từ 7,5 đến 7,7 phần mười Mặc dù lượng mây trung bình hàng tháng không có nhiều biến động, nhưng từ cuối mùa xuân đến đầu mùa thu, lượng mây thường ở mức tương đối thấp.

Tốc độ gió trung bình hàng năm tại Trà My là 0,7 m/s, Đà Nẵng là 1,5 m/s và Tam Kỳ là 1,9 m/s, cho thấy sự phụ thuộc lớn vào điều kiện địa hình Trong năm, có hai mùa gió chính: gió mùa tây nam diễn ra vào tháng 5, 6, 7 với tần suất 20-30%, mang theo không khí nóng và khô, và gió mùa đông bắc thịnh hành từ tháng 11 đến tháng 2, mang theo không khí lạnh.

Trong mùa đông, tốc độ gió có thể đạt mức cao từ 15-25 m/s, chủ yếu từ hướng bắc hoặc đông bắc Trong khi đó, mùa hè ghi nhận tốc độ gió có thể lên tới 20-35 m/s, thậm chí 40 m/s, thường do ảnh hưởng của bão.

Lượng bốc thoát hơi tiềm năng trung bình hàng năm dao động từ khoảng 600 mm ở vùng núi cao đến gần 1000 mm ở vùng đồng bằng ven biển Từ tháng 5 đến tháng 8, lượng bốc hơi tiềm năng trung bình tháng tại vùng đồng bằng ven biển vượt quá 100 mm, với tháng 7 ghi nhận tổng lượng bốc hơi lớn nhất Trong mùa đông xuân, lượng bốc hơi tiềm năng trung bình tháng giảm xuống còn 30-70 mm, thấp nhất vào tháng 12 chỉ đạt từ 25-45 mm.

Lượng mưa trung bình hàng năm dao động từ 2000 mm đến hơn 3000 mm, với tâm mưa lớn tập trung ở phía Tây Nam của lưu vực, đặc biệt là các khu vực Trà My và Tiên Phước Năm được chia thành hai mùa rõ rệt: mùa mưa với lượng mưa dồi dào gây ra lũ lụt, và mùa khô với ít mưa dẫn đến hạn hán Mưa là yếu tố khí hậu quan trọng nhất, góp phần gây ra các dạng thiên tai, đặc biệt là lũ lụt trong lưu vực, và sẽ được nghiên cứu kỹ lưỡng trong phần sau.

Hình 2 Đường quá trình nhiệt độ năm các trạm trên lưu vực

Bảng 2 Lượng mưa tháng, năm trong lưu vực sông Thu Bồn (Đơn vị: mm)

Hội Khách 47.3 22.7 27.0 82.9 212.3 185.4 142.5 167.2289.5475.7 419.7 119.9 2192.1 Ái Nghĩa 59.3 24.1 23.6 47.0 154.5 146.1 91.8 152.5274.1657.5 470.6 189.0 2290.1 Đà Nẵng 79.4 25.0 22.3 37.1 104.1 113.3 74.9 131.9306.7646.8 462.0 219.3 2222.7

Đặc điểm thuỷ văn

Do mưa là nguồn cung cấp chính nên dòng chảy sông ngòi cũng phân bố không đều trong lưu vực

Mô đun dòng chảy năm trung bình trong giai đoạn 1977-1999 có sự biến đổi rõ rệt, dao động từ dưới 30 l/s.km² ở vùng đồng bằng ven biển cho đến hơn 60 l/s.km² ở khu vực miền núi Đặc biệt, tại thượng nguồn sông Thu Bồn và các nhánh sông, mô đun dòng chảy đạt mức cao nhất, vượt quá 80 l/s.km².

Vu Gia (thuộc sườn phía tây nam dãy Bạch Mã).

Bảng 3 Lưu lượng trung bình trung bình thời kỳ quan trắc (1977 - 1999) (Đơn vị; m 3 /s)

Trạm 227 có các chỉ số 134, 90.7, 72.1, 103, 105, 71.2, 80.5, 165, 663, 989, 615, 276, trong khi Nông Sơn ghi nhận 109, 67.9, 47.5, 41.8, 55.0, 62.1, 46.5, 55.9, 92.9, 289, 391, 248, 126 Dòng chảy sông ngòi được chia thành hai mùa: mùa lũ từ tháng 10 đến tháng 12, chiếm 65-70% tổng lượng dòng chảy năm, với tháng 11 là tháng có lượng dòng chảy lớn nhất; mùa cạn từ tháng 1 đến tháng 9, chỉ chiếm 25-30%, trong đó tháng 4 có lượng dòng chảy nhỏ nhất.

Tháng 5, 6 do có mưa tiểu mãn nên lượng dòng chảy tăng lên sau đó lại giảm vào các tháng 7, 8 (Bảng 3 và Hình 4).

Hình 3 Đường quá trình lưu lượng dòng chảy năm

1.2 Tình hình lũ lụt tại Việt Nam và công tác dự báo

Các hình thế thời tiết gây mưa lớn

Mùa mưa lũ tại miền Trung nói chung và Quảng Nam nói riêng, thường bị chi phối bởi các hình thế thời tiết gây mưa lớn như sau:

- Bão, áp thấp nhiệt đới

- Dải hội tụ nhiệt đới và các nhiễu động khác như sóng đông gây nên

Các hình thế thời tiết như bão và áp thấp nhiệt đới có thể gây ra mưa lũ, và khi chúng tác động kết hợp với nhau, khả năng xảy ra mưa lũ sẽ tăng lên đáng kể.

Việt Nam có bờ biển dài hơn 3000 km, nằm trong khu vực thường xuyên xảy ra bão và áp thấp nhiệt đới từ Tây Thái Bình Dương, đặc biệt là ở biển Đông Thời gian bão và áp thấp nhiệt đới hoạt động mạnh nhất từ tháng 7 đến tháng 11 hàng năm Trung bình, mỗi năm có từ 5 đến 6 cơn bão và áp thấp nhiệt đới đổ bộ vào Việt Nam, trong đó miền Trung chịu ảnh hưởng nhiều nhất với khoảng 4 cơn, và khoảng 20.4% ảnh hưởng đến khu vực từ Đà Nẵng đến Bình Định Một số năm, số lượng bão và áp thấp nhiệt đới có thể lên tới 10 cơn, như các năm 1964 và 1973.

1978, 1985, 1986, 1989 và 1996 Khu vực Quảng Nam, mùa bão chính vụ là tháng

Trong tháng X và tháng XI, Quảng Nam thường chịu ảnh hưởng từ 1 đến 2 cơn bão và áp thấp nhiệt đới mỗi năm Tuy nhiên, các cơn bão trái mùa có thể xuất hiện sớm hoặc muộn hơn so với quy luật khí hậu thông thường.

Bão đổ bộ vào Quảng Nam và các tỉnh Trung Bộ gây ra mưa lớn, chiếm khoảng 50% tổng lượng mưa năm tại nhiều địa phương ven biển Khi bão đổ bộ vào đất liền, khoảng 45% cơn bão và áp thấp nhiệt đới mang theo tổng lượng mưa từ 200 - 300 mm, trong khi khoảng 20% có tổng lượng mưa lớn hơn 300 mm và khoảng 15% có tổng lượng mưa dưới 150 mm Thời gian mưa lớn do bão thường kéo dài từ 2 đến 3 ngày.

Không khí lạnh từ phía bắc xâm nhập vào đầu mùa đông gây ra mưa lớn trên diện rộng, với lượng mưa từ 100 đến 200 mm, có thể hơn Gió mùa kết hợp với bão, áp thấp nhiệt đới hoặc hội tụ nhiệt đới ở phía Nam thường dẫn đến mưa rất to Đặc biệt, khi có đới gió đông hoạt động mạnh, mưa cực lớn có thể xảy ra, gây lũ lụt nghiêm trọng Những hình thế này đã gây ra các trận lũ đặc biệt lớn vào tháng 11 năm 1998, tháng 11/1999 và tháng 12/1999 Dải hội tụ ở phía nam biển Đông kết hợp với gió mùa hoặc tín phong đông bắc ở phía bắc di chuyển xuống phía nam.

Các trận mưa lũ lớn tại Quảng Nam thường xảy ra do sự kết hợp của nhiều hình thế thời tiết, dẫn đến mưa lớn Trận mưa lũ kỷ lục vào năm 1998 trên sông Thu Bồn là hệ quả của bão số 5, không khí lạnh và dải hội tụ nhiệt đới, với lượng mưa phổ biến từ 300-500 mm, trong đó Trà My ghi nhận lượng mưa lên đến 1001 mm.

Năm 1999, khu vực Trung Trung Bộ, đặc biệt là Quảng Nam - Đà Nẵng, trải qua thiên tai nghiêm trọng với hai đợt mưa lớn liên tiếp từ đầu tháng 11 đến đầu tháng 12 Những trận mưa này, chưa từng xảy ra trong 50-70 năm qua, đã gây ra lũ lụt lớn, với một số sông ghi nhận lũ lịch sử Đầu tháng 11, không khí lạnh kết hợp với dải hội tụ nhiệt đới đã tạo ra mưa lớn, đặc biệt tại Thừa Thiên Huế với lượng mưa từ 500 đến 2300 mm, trong khi Quảng Nam - Đà Nẵng và Quảng Trị ghi nhận từ 750-1450 mm Mưa lớn nhất trong 24 giờ tại Huế đạt 1422 mm, từ 6 giờ ngày 2 đến 6 giờ ngày 3 Tiếp theo, không khí lạnh và gió đông mạnh đã tiếp tục gây ảnh hưởng đến khu vực này.

Vào các ngày từ 1 đến 7 tháng 12 năm 1999, khu vực lưu vực sông Tam Kỳ đã trải qua một trận mưa lớn, với lượng mưa phổ biến dao động từ 1000 đến 2000 mm Đặc biệt, trung tâm mưa tại Xuân Bình, trên hồ Phú Ninh, ghi nhận lượng mưa đạt tới 2192 mm.

Hai trận mưa lớn diễn ra từ ngày 1 đến 6/11/1999 tại Quảng Nam - Đà Nẵng đã ghi nhận lượng mưa cực lớn, với tổng lượng mưa đạt từ 828 mm tại Hiên đến 1450 mm tại Tiên Phước Cường độ mưa trong các khoảng thời gian 6, 12 và 24 giờ không chỉ cao nhất ở Việt Nam mà còn thuộc loại hiếm gặp trên thế giới, đặc biệt là ở khu vực trung và hạ lưu sông Thu Bồn, trong khi lượng mưa tại các trạm thượng lưu lại thấp hơn.

Trận mưa từ ngày 1 đến 6 tháng 12/1999 ghi nhận lượng mưa từ 377 mm tại Khâm Đức đến 2192 mm tại Xuân Bình, với khu vực trung và hạ lưu có lượng mưa từ 650-2000 mm Các trạm thượng nguồn sông Cái và Bung có lượng mưa thấp hơn, chỉ đạt từ 370-550 mm, trong khi thượng nguồn sông Thu Bồn cũng chỉ đạt 400-800 mm Cường độ mưa trong trận mưa này rất lớn, với lượng mưa ngày cao nhất phổ biến từ 400-500 mm, có nơi lên tới 600-700 mm Đặc biệt, trong trận lũ tháng 12/1999, lượng mưa lớn nhất trong 24 giờ tại Xuân Bình đạt 844 mm và tại Tiên Phước là 822 mm.

Chế độ mưa

Tổng lượng mưa trung bình năm ở đồng bằng ven biển, huyện Đông Giang, huyện Nam Giang, Đại Lộc và Đà Nẵng dao động từ 2000 đến 2500 mm Trong khi đó, khu vực trung du và vùng núi có lượng mưa từ 2500 đến trên 4000 mm, đặc biệt ở vùng núi cao phía bắc và tây nam lưu vực có lượng mưa trung bình năm vượt 4000 mm Lượng mưa trung bình hàng năm tại Trà My đạt 4158 mm, trong khi khu vực có lượng mưa thấp nhất trong lưu vực là vùng đông Thăng Bình với 1920 mm Lượng mưa này được coi là lớn so với khu vực và toàn quốc.

Lượng mưa năm bình quân nhiều năm tăng dần từ đồng bằng lên vùng núi và từ bắc vào nam, với vùng núi phía tây nam lưu vực có lượng mưa cao nhất, đạt 4158 mm tại Trà My Trong khi đó, vùng núi thấp và trung du như Tiên Phước, Phước Sơn, Nông Sơn có lượng mưa năm bình quân từ 2800 đến 3500 mm Ở vùng đồng bằng ven biển, lượng mưa chỉ còn trên 2000 mm, và vùng núi cùng trung du phía Bắc và Tây Bắc có lượng mưa năm bình quân khoảng 2200-2300 mm.

Hiện tượng phân bố mưa không đều trên các vùng lãnh thổ chủ yếu do địa hình và hướng gió mùa Hệ thống núi cao trên 1500 m ở phía nam, tây và tây bắc tạo thành một vòng cung, ảnh hưởng đến lượng mưa Khu vực phía bắc và tây bắc của lưu vực nằm trong vùng khuất gió đông bắc, dẫn đến lượng mưa giảm Ngược lại, vùng phía nam và tây nam nằm ở sườn đón gió mùa đông bắc, nên lượng mưa ở đây tăng cao.

Bảng 4 Phân bố lượng mưa bình quân nhiều năm tại các trạm

1.2.2.1 Phân bố lượng mưa mùa

Chế độ khí hậu trên lưu vực đựợc chia làm hai mùa rõ rệt:

Mùa mưa diễn ra từ tháng 9 đến tháng 12, chiếm 70-75% tổng lượng mưa hàng năm Trong đó, tháng 10 và 11 là hai tháng có lượng mưa lớn nhất, với khoảng 65-70% lượng mưa của mùa Tháng 10 ghi nhận lượng mưa cao nhất, trong khi tháng 9 và tháng 12 là các tháng chuyển tiếp, với lượng mưa đầu tháng 9 thường thấp.

Hệ thống mạng sông

Sông Thu Bồn, còn được biết đến với tên gọi sông Tranh hay sông Tỉnh Gia, bắt nguồn từ sườn đông nam dãy Ngọc Linh với độ cao trên 2000 m Sông chảy theo hướng bắc nam qua các huyện Trà My, Tiên Phước, Hiệp Đức, Quế Sơn, và tiếp tục đến Giao Thuỷ, trước khi đi qua vùng đồng bằng các huyện Duy Xuyên, Điện Bàn, và Hội An Tổng chiều dài của sông từ nguồn đến cửa Đại (Hội An) là 198 km, với diện tích lưu vực tính đến Giao Thủy.

Thượng lưu sông Thu Bồn, cách Hội An 30 km, trải dài trên diện tích 3825 km² và bao gồm nhiều nhánh lớn như Sông Khang, Sông Vang, Sông Tranh, và Sông Gềnh Gềnh Mỗi nhánh sông này đều có những đặc trưng riêng, đóng góp vào hệ thống thủy văn phong phú của khu vực.

Sông Thu Bồn, bắt nguồn từ núi Ngok Gle Long cao 1865 m tại huyện Phước Sơn, chảy theo hướng tây nam - đông bắc và đổ vào bờ tả sông Thu Bồn Với chiều dài 35 km và diện tích lưu vực 488 km², sông Thu Bồn đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thủy văn của khu vực.

Sông Khang có nguồn gốc từ dãy núi răng cưa cao 1152 m tại huyện Trà My, giáp ranh với huyện Trà Bồng tỉnh Quảng Ngãi Sông chảy theo hướng đông nam - tây bắc qua các huyện Trà My, Tiên Phước, Hiệp Đức và cuối cùng đổ vào bờ hữu sông Tranh (sông Thu Bồn) ở hạ lưu thị trấn Hiệp Đức Tổng chiều dài của sông là 57 km với diện tích lưu vực đáng chú ý.

609 km 2 Sông Khang có một số nhánh lớn như sông Tiên với diện tích lưu vực 137 km 2 , sông Lung diện tích lưu vực 26 km 2

Sông Vang, dài 24 km và có diện tích lưu vực 249 km², bắt nguồn từ vùng núi huyện Trà Bồng, tỉnh Quảng Ngãi Sông chảy theo hướng đông nam - tây bắc qua huyện Trà My và đổ vào sông Tranh ở hạ lưu, cách thị trấn Trà My khoảng 10 km bên bờ hữu.

Sông Trầu, dài 21 km với diện tích lưu vực 93 km², bắt nguồn từ vùng Tiên Cảnh, Cẩm Hà, huyện Tiên Phước và chảy theo hướng đông - tây trước khi đổ vào sông Tranh tại thị trấn Tân An.

Hạ lưu sông Thu Bồn có một hệ thống phân lưu và nhập lưu phức tạp, dẫn đến việc dòng sông chảy ra cửa Đại Đặc biệt, khi sông di chuyển vào đồng bằng, nó nhận thêm một lượng nước từ các nguồn khác.

Sông Vu Gia chảy qua Quảng Huế và đổ vào bờ trái sông tại Giao Thủy Từ Giao Thủy, cách khoảng 16 km về hạ lưu, có phân lưu sông Vĩnh Điện dẫn nước từ sông Thu Bồn, sau đó trả lại sông Vu Gia tại sông Hàn và cuối cùng đổ ra biển qua cửa Đà Nẵng.

Sông Ly Ly, bắt nguồn từ vùng núi huyện Quế Sơn, chảy theo hướng tây nam - đông bắc, đi qua các huyện Quế Sơn và Thăng Bình, trước khi đổ vào sông lớn hơn ở hạ lưu.

Bà Rén là một con sông có chiều dài 36 km và diện tích lưu vực lên đến 279 km² Hiện tại, dòng chảy của sông Ly Ly chỉ duy trì trong mùa lũ, trong khi vào mùa kiệt, lượng nước từ thượng nguồn về rất ít.

Hình 4 Lưu vực hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn

Sông Vu Gia là một trong hai sông chính của hệ thống sông Thu Bồn, đồng thời là sông lớn thứ hai của tỉnh Lưu vực sông Vu Gia nằm bên trái sông Thu Bồn, trải dài qua các huyện Đông Giang, Tây Giang, Nam Giang, Đại Lộc, Điện Bàn và huyện Hoà Vang thuộc thành phố Đà Nẵng Sông có chiều dài 204 km, bắt nguồn từ sông Cái và chảy đến cửa Đà Nẵng, với tổng diện tích lưu vực đạt 5180 km² Một phần thượng nguồn của sông nằm trên địa phận tỉnh Kon Tum, dài 38 km và có diện tích 500 km² Tại Ái Nghĩa, sông Vu Gia có phân lưu sông Quảng Huế, dẫn nước vào sông Thu Bồn Trước khi vào thành phố Đà Nẵng, dòng chảy chính chia thành hai nhánh: sông Yên chảy về An Trạch và sông Chu Bái, trong đó sông Yên hợp lưu với sông Túy Loan, sau đó đổ ra biển qua cửa Đà Nẵng.

Sông Cái là nhánh chính của sông Vu Gia, bắt nguồn từ vùng núi cao trên 2000 m ở biên giới Tây Nam Dòng sông chảy từ nam đến bắc, sau đó chuyển hướng tây nam đến đông bắc, và gặp nhánh sông Bung tại thôn Đầu Gò, xã Đại Sơn, huyện Đại Lộc Với chiều dài 130 km và tổng diện tích lưu vực lên tới 18.000 km², Sông Cái còn có nhiều nhánh nhỏ khác.

- Đáng kể nhất là nhánh sông Giằng dài 61 km với diện tích lưu vực là 513 km 2

Sông Bung, bắt nguồn từ vùng núi cao phía tây bắc huyện Hiên, chảy theo hướng tây sang đông với độ cao nguồn 1300 m Tổng diện tích lưu vực của sông là 2530 km² và chiều dài chính của sông là 131 km Sông Bung còn có nhiều nhánh, trong đó nhánh sông AVương là lớn nhất với chiều dài 80 km và diện tích lưu vực 898 km².

- Sông Côn nằm về phía trái sông Vu Gia, cách cửa sông Bung khoảng

15 km về phía hạ lưu Sông Côn bắt nguồn từ phía tây bắc huyện Tây Giang, độ cao nguồn 800 m, diện tích lưu vực 627 km 2 , với chiều dài 47 km.

- Hạ lưu thuộc phạm vi thành phố Đà Nẵng còn có sông Tuý Loan, chiều dài sông chính 28 km, diện tích toàn lưu vực 160 km 2

- Phần hạ sông Vu Gia có nhiều phân lưu như sông Yên, sông La Thọ, sông Quá Giáng, sông Thanh Quýt

Vùng hạ lưu hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia là nơi tập trung nhiều ngành kinh tế xã hội quan trọng, dẫn đến nhu cầu nước cho sản xuất và sinh hoạt ngày càng cao Mặc dù lượng nước từ thượng nguồn cung cấp khá dồi dào, ngay cả trong mùa kiệt, nhưng tình trạng nhiễm mặn vẫn là một vấn đề đáng lo ngại.

Bảng 5 Đặc trưng hình thái lưu vực Hệ thống sông Thu Bồn-Vu Gia

Sông Đổ vào Độ cao nguồn sông (m)

Chiều dài lưu vực (km)

Diện tích lưu vực (km 2 ) Đặc trung trung bình lưu vực Độ cao (m) Độ dộc (%) Độ rộng (km)

Mật độ lưới sông (km/km 2 )

Sông Đổ vào Độ cao nguồn sông (m)

Chiều dài lưu vực (km)

Diện tích lưu vực (km 2 ) Đặc trung trung bình lưu vực Độ cao (m) Độ dộc (%) Độ rộng (km)

Mật độ lưới sông (km/km 2 )

Hạ lưu hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia tại vùng đồng bằng có địa chất không ổn định đang đối mặt với tình trạng xói lở bờ nghiêm trọng Trong những năm qua, hiện tượng xâm thực hai bên bờ đã gia tăng, buộc địa phương và Trung ương phải đầu tư nhiều nguồn lực để di dời dân cư và xây dựng kè bảo vệ Tuy nhiên, do dòng chảy phức tạp và thiếu các nghiên cứu chuyên sâu, các giải pháp hiện tại chỉ mang tính chất đối phó và chưa đạt được hiệu quả như mong đợi.

Mức báo động lũ

Để nghiên cứu lũ trong sông trước hết ta nghiên cứu bảng mức báo động lũ Trên

Hệ thống sông Thu Bồn-Vu Gia mức báo động lũ chỉ được xây dựng cho các trạm hạ lưu theo ba mức báo động, cụ thể trong bảng 7.

Bảng 6 Mức báo động lũ và đỉnh lũ lớn nhất tại các trạm. Đơn vị:cm

TRẠM Mức báo động Đặc trưng lũ nhiều năm

I II III BQNN MAX Ngày Lũ 1964

Chế độ lũ

Mùa lũ trên Hệ thống sông Thu Bồn-Vu Gia diễn ra chủ yếu trong hai tháng 10 và 11, trong khi tháng 9 là thời gian bắt đầu mùa mưa với các hiện tượng thời tiết như bão và áp thấp nhiệt đới Mặc dù tháng 9 có thể xuất hiện lũ, nhưng thường có biên độ không lớn và thời gian duy trì ngắn do khả năng thấm của đất và lượng nước dự trữ cao từ mùa khô trước đó Theo tài liệu đo đạc từ năm 1976 đến 2000, lũ tháng 9 đôi khi là lũ lớn nhất trong năm, mặc dù thường chỉ là lũ đơn với một đỉnh.

Trong tháng 9, có 10 trận lũ xuất hiện, chiếm 41,7% tổng số năm đo đạc, trong khi trên sông Thu Bồn, tỉ lệ này là 45,8% với 11 trận lũ Mặc dù tháng 12 được xem là mùa lũ, nhưng lũ chỉ xảy ra trong 10 ngày đầu của tháng, trong khi những ngày còn lại hầu như không có lũ.

Bảng 7 Số trận lũ xảy ra trong tháng X và tháng XI từ 1976 -2000

Lưu vực Vu Gia Thu Bồn

Ghi chú: - N: số trận lũ từ năm 1976 năm 2000

- η: bình quân số trận lũ xuất hiện trên một năm

Tháng 10 và tháng 11 là 2 tháng có nhiều thiên tai nhất đối với lưu vực Hệ thống sông Thu Bồn-Vu Gia Hai tháng này thường bị tác động của các loại hình thế thời tiết gây mưa lớn, như bão, áp thấp nhiệt đới, gió mùa đông bắc Các hình thế này nhiều khi tác động độc lập, có lúc ảnh hưởng kết hợp gây ra mưa rất lớn trên diện rộng Một hình thức ảnh hưởng của các loại hình thế thời tiết này cần chú ý là: hình thế này ảnh hưởng chưa kết thúc đã bị ảnh hưởng tiếp của loại hình thế khác, gây nên các đợt mưa dài ngày, tạo nên những con lũ kép 2, 3 đỉnh thậm chí đến 5, 6 đỉnh Giữa mùa lũ, thông thường mực nước sông đã dâng khá cao, bề mặt lưu vực đã bão hòa, do vậy lượng nước mưa bị tổn thất nhỏ Khi có mưa lớn, nước tập trung vào sông nhanh và thường các sông xẩy ra những trận lũ lớn ác liệt và gây nên ngập lụt nghiêm trọng vùng hạ lưu nhiều ngày.

Lũ trên sông Vu Gia và sông Thu Bồn có sự lệch pha nhau Tuy nhiên số trận lũ lệch pha nhau không nhiều (Bảng 8).

Trong tháng 10, hạ lưu sông Vu Gia ghi nhận nhiều trận lũ vượt mức báo động I hơn so với sông Thu Bồn Tuy nhiên, đến tháng 11, tình hình lại đảo ngược, cho thấy mùa lũ trên sông Vu Gia bắt đầu sớm hơn so với sông Thu Bồn.

Hạ lưu hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia ghi nhận trung bình hàng năm tại Giao Thuỷ và Ái Nghĩa khoảng 3 trận lũ từ báo động I trở lên, với năm cao điểm có tới 5 đến 6 trận Đối với lũ từ báo động II trở lên, trung bình mỗi năm có 1 đến 2 trận, đặc biệt năm 1996 có đến 6 trận Lũ trên báo động III trung bình từ 0,6 đến 1 trận mỗi năm, với năm cao nhất ghi nhận 2 đến 3 trận Thống kê cho thấy hạ lưu sông Vu Gia thường xuyên xảy ra nhiều trận lũ hơn so với hạ lưu sông Thu Bồn.

Thượng lưu các sông thường ghi nhận nhiều trận lũ hơn ở hạ lưu Trung bình hàng năm, sông Thu Bồn có khoảng 5 trận lũ, với số trận tối đa lên tới 11 và tối thiểu là vài trận Trong khi đó, sông Vu Gia ghi nhận trung bình khoảng 4,7 trận lũ mỗi năm, với tối đa 9 trận và tối thiểu 2 trận Điều này cho thấy rằng thượng lưu sông Vu Gia có số trận lũ ít hơn so với sông Thu Bồn, điều này khác biệt so với lũ ở vùng đồng bằng.

Vu Gia còn có lũ sông Bung và sông Côn bổ sung.

Lũ trên các sông trong lưu vực diễn ra rất ác liệt, với biên độ lũ lớn nhất trung bình tại trạm Thành Mỹ đạt 9.67 m và tại Nông Sơn là 8.86 m Biên độ lũ lớn nhất tuyệt đối ghi nhận tại Nông Sơn là 11.99 m, trong khi tại Thành Mỹ đạt 15.22 m Cường suất mực nước tại các trạm thượng nguồn dao động từ 1,4 đến 1,5 m/giờ.

Bảng 8 Đặc trưng biên độ lũ tại 2 trạm Nông Sơn và Thành Mỹ

Trạm Nông Sơn Thành Mỹ

Độ lớn của lũ

Trong 40 năm qua, trận lũ vào tháng 11 năm 1964 được ghi nhận là trận lũ lớn nhất tại sông Thu Bồn-Vu Gia và nhiều sông ở khu vực trung Trung Bộ, với mực nước đỉnh lũ tại Câu Lâu đạt 5,78 m, cao hơn báo động III tới 2,08 m Từ năm 1977 đến 2005, đã có nhiều trận lũ đặc biệt lớn xảy ra trên hệ thống sông Thu Bồn Đặc biệt, trận lũ vào tháng 11 năm 1998 trên nhánh sông Vu Gia là trận lũ có mực nước cao nhất trong giai đoạn quan trắc, trong khi sông Thu Bồn ghi nhận hai trận lũ lớn nhất vào tháng 11 năm 1998 và tháng 12 năm 1999.

Trong thời kỳ quan trắc, lưu lượng lũ lớn nhất tại trạm Nông Sơn trên sông Thu Bồn ghi nhận đạt 10.600 m³/s trong trận lũ tháng 11/1998 và 12/1999 Tại trạm Thành Mỹ trên sông Vu Gia, lưu lượng lũ đạt 7.000 m³/s trong trận lũ tháng 11/1998, tương ứng với mô đun lưu lượng đỉnh lũ lần lượt là 3,35 m³/s.km² và 3,78 m³/s.km².

Trận lũ vào tháng 11 năm 1964 có quy mô lớn hơn so với hai trận lũ vào tháng 11 năm 1998 và cuối năm 1999 Mực nước đỉnh lũ của trận lũ năm 1999 thấp hơn so với trận lũ năm 1964 từ 0,12 đến 0,55 mét, cụ thể trên sông Vu Gia tại Ái Nghĩa là 0,47 mét, tại Cẩm Lệ là 0,12 mét, trên sông Thu Bồn tại Câu Lâu là 0,55 mét và tại Hội An là 0,19 mét.

Theo kết quả điều tra, lưu lượng đỉnh lũ của trận lũ XI/1964 tại trạm Nông Sơn là

Lưu lượng lũ đạt 18.200 m³/s, tương ứng với mô đun đỉnh lũ 5,76 m³/s.km², cao hơn 1,7 lần so với hai trận lũ vào tháng 11/1998 và tháng 12/1999 Tần suất của trận lũ này tại Câu Lâu khoảng 3%, cho thấy độ lớn của lũ sông Thu Bồn thuộc loại lớn ở Việt Nam.

Lũ lớn thường xuất hiện đồng thời trên các nhánh sông thuộc hệ thống sông Thu Bồn Hệ số tương quan lưu lượng lớn nhất hàng năm giữa trạm Nông Sơn trên sông Thu Bồn và trạm Thành Mỹ trên sông Vu Gia đạt tới 0,79.

Thời gian xuất hiện đỉnh lũ trên sông Vu Gia trong trận lũ tháng 11/1999 cho thấy sự chênh lệch không lớn giữa thượng lưu và hạ lưu, chỉ khoảng 10 giờ Cụ thể, đỉnh lũ xuất hiện lúc 10 giờ ngày 2 tại Thành Mỹ và lúc 5 giờ ngày 3 tại Ái Nghĩa.

Vào lúc 16 giờ, đỉnh lũ trên sông Thu Bồn giữa Hiệp Đức và Nông Sơn chỉ chênh lệch 1 giờ, với thời gian xuất hiện lần lượt là 3 giờ tại Hiệp Đức và 4 giờ tại Sơn Tân, Nông Sơn Đỉnh lũ cũng xuất hiện tại Câu Lâu và Hội An vào lúc 13 giờ cùng ngày Thời gian truyền đỉnh lũ từ Hiệp Đức tới Câu Lâu là 10 giờ.

Khi mưa lớn, lũ quét thường xảy ra ở các sông suối nhỏ với địa hình dốc, dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng.

Trận lũ lớn vào tháng 11 năm 1998 đã gây ra lũ quét nghiêm trọng ở một số huyện như Đại Lộc và Quế Sơn Đặc biệt, trận lũ vào tháng 11 năm 1999 đã tàn phá sông Tuý Loan cùng nhiều khu vực khác Những trận lũ quét này không chỉ gây thiệt hại lớn về người và tài sản mà còn làm tổn hại nghiêm trọng đến môi trường sinh thái trong lưu vực.

Diễn biến mưa lũ một số trận lũ lớn

Hơn 40 năm qua, trên lưu vực đã có nhiều năm lũ lớn, đặc biệt là các năm 1964,

Vào năm 1998 và 1999, lũ lớn trên lưu vực xảy ra do ảnh hưởng của nhiều hình thế thời tiết gây ra mưa lớn trên diện rộng, với tổng lượng mưa đạt khoảng 1000 mm hoặc hơn Các trận lũ đặc biệt lớn kéo dài nhiều ngày, thời gian lũ lên thường từ 40 đến 60 giờ, có nơi lên tới 70 đến 80 giờ Mực nước trên báo động III duy trì trong nhiều giờ, có những trận lũ kéo dài tới 2-3 ngày, thậm chí 5 ngày như các trận lũ năm 1999.

1.2.6.1 Trận lũ lịch sử tháng 11 năm 1964

Từ ngày 4 đến 10 tháng 11 năm 1964, khu vực chịu ảnh hưởng của không khí lạnh từ phía bắc kết hợp với hoàn lưu bão ở phía nam đã ghi nhận mưa lớn Tổng lượng mưa đo được tại Khâm Đức đạt 1810 mm và tại Nông Sơn là 962 mm.

24 h tại Khâm Đức: 634 mm, Nông Sơn: 413 mm

Bảng 9 Đỉnh lũ năm lớn nhất từ năm 1977 đến 2004 tại một số trạm.

Trạm Nông Sơn Giao Thủy Câu Lâu Hội An Ái Nghĩa

Mực nước đỉnh lũ trên các sông hiện đang ở mức cao, với số liệu cho thấy đỉnh lũ lịch sử năm 1964 là lớn nhất trong 40 năm qua Cụ thể, tại Ái Nghĩa, mực nước năm 1964 cao hơn lũ lịch sử từ năm 1977 đến nay là 0.12 m, tại Giao Thuỷ là 0.65 m, tại Câu Lâu là 0.25 m, và tại Hội An là 0.19 m Lưu lượng đỉnh lũ năm 1964 tại Nông Sơn đạt 18200 m³/s, gấp 1,7 lần so với đỉnh lũ lớn nhất trong chuỗi quan trắc là 10600 m³/s vào tháng 11 năm 1998 Đây là trận lũ gây ra nhiều thiệt hại cho nhân dân Quảng Nam-Đà Nẵng.

1.2.6.1 Trận lũ đặc biệt lớn từ 18 đến 21 tháng 11 năm 1998

Do ảnh hưởng của bão số 5 kết hợp với gió mùa đông bắc, từ ngày 18/11/1998, lưu vực Hệ thống sông Thu Bồn-Vu Gia đã ghi nhận mưa lớn trên diện rộng, đặc biệt vào ngày 20 với lượng mưa phổ biến từ 300-500 mm tại các tỉnh từ Quảng Trị đến Khánh Hòa Quảng Nam chịu ảnh hưởng nặng nề với Trà My ghi nhận 1001 mm và Tam Kỳ 674 mm Mực nước trên các sông tăng nhanh, xuất hiện đỉnh lũ đặc biệt lớn, cao nhất trong chuỗi số liệu từ năm 1976 đến 1998, dẫn đến lũ quét tại nhiều khu vực như Đại Lộc và Quế Sơn.

Bảng 10 Đặc trưng trận lũ từ ngày 18 đến 21 tháng 11 năm 1998

Trạm Chân lũ Đỉnh lũ

TG lũ đến báo động III

Cường suất mực nước TB

Giờ XH Hmin Giờ XH Hmax

1.2.6.1 Trận lũ đặc biệt lớn từ ngày 1 đến ngày 7 tháng 11 năm 1999

Do ảnh hưởng của gió mùa đông bắc và đới gió đông phát triển từ thấp đến cao hơn

Từ ngày 1/11, toàn tỉnh đã trải qua mưa đặc biệt lớn do ảnh hưởng của áp thấp nhiệt đới, với lượng mưa cao nhất vào ngày 2/11, đặc biệt ở vùng trung du và miền núi của hệ thống sông Thu Bồn, nơi ghi nhận lượng mưa vượt 300 mm Một số địa phương như Thành Mỹ và Hiệp Đức ghi nhận lượng mưa lên tới 621.9 mm và 525.5 mm Mưa tiếp tục kéo dài và lan rộng đến vùng đồng bằng cho đến ngày 6/11, với tổng lượng mưa từ 1000 mm đến 1300 mm, trong đó Tiên Phước và Hiệp Đức là những khu vực có lượng mưa lớn nhất, đạt 1047.3 mm và 1439.8 mm.

Mực nước sông đã tăng nhanh chóng, với các trạm thượng nguồn ghi nhận đỉnh lũ cao nhất trong đợt này vào ngày 2, gần tương đương với đỉnh lũ tháng 11 năm 1998 Do lượng mưa lớn ở vùng trung và hạ lưu, lũ ở khu vực hạ lưu các sông hiện tại đã vượt qua mức lũ năm 1998, gần đạt đến đỉnh lũ lịch sử năm 1964.

Bảng 11 Đặc trưng mưa từ ngày 1 đến ngày 6 tháng 11 năm 1999

Vào tháng 12 năm 1999, Quảng Nam đã trải qua hai trận lũ lớn chỉ trong vòng một tháng Sự kiện này xảy ra do ảnh hưởng của không khí lạnh kết hợp với đới gió đông trên cao, dẫn đến mưa lớn tại lưu vực hệ thống sông Thu Bồn-Vu Gia Mực nước trong sông tăng nhanh, đạt mức tương đương với trận lũ xảy ra vào tháng 11 cùng năm.

Bảng 12 Đặc trưng lũ từ ngày 01 đến 08/11/1999

Trạm Chân lũ Đỉnh lũ

Bảng 13 Đặc trưng lũ từ ngày 01 đến 11/12/1999

Trạm Chân lũ Đỉnh lũ Biên độ

Cường suất Giờ/ngà Hma Giờ/ngà Hma Trung

Tại Hội An, lũ ở thượng lưu và trung lưu các sông diễn ra nhanh chóng do mưa lớn và địa hình dốc, với cường suất lũ trung bình khoảng 20-50 cm/giờ, có lúc lên tới 100-140 cm/giờ Biên độ lũ trong trận lũ tháng 11/1999 ghi nhận từ 5-14 m, với mức cao nhất tại Thành Mỹ là 10,95 m, Hiệp Đức 12,58 m, Sơn Tân 13,85 m và Nông Sơn 11,7 m Ở hạ lưu, lũ lên chậm hơn do độ dốc lòng sông nhỏ và ảnh hưởng của thủy triều, với biên độ lũ khoảng 3-5 m, cụ thể tại Ái Nghĩa 5,46 m, Cẩm Lệ 4,22 m, Câu Lâu 4,52 m và Hội An 3,32 m Cường suất lũ ở hạ lưu trung bình chỉ đạt 5-10 cm/giờ, tối đa khoảng 20-50 cm/giờ.

Thời gian lũ lên tại khu vực trung thượng lưu thường kéo dài từ 20-60 giờ, trong khi ở hạ lưu có thể lên tới 70-80 giờ, với trung bình là 48 giờ Tuy nhiên, thời gian lũ rút lại rất dài, có thể lên tới 2-5 ngày, như trường hợp trận lũ tháng 12 năm 1999 Mực nước lũ duy trì ở mức cao, vượt mức báo động cấp III, kéo dài từ 15-42 giờ, thậm chí có thể kéo dài từ 3-5 ngày Trong hai trận lũ cuối năm 1999, mực nước duy trì trên mức báo động cấp III đã kéo dài hơn 5 ngày Ở hạ lưu, khi mực nước dưới báo động cấp I, hiện tượng thuỷ triều biểu hiện mạnh mẽ, có thể làm tăng mực nước đỉnh lũ từ 15-25 cm tại Câu Lâu.

Bảng 14 Thời gian duy trì mực nước ở các cấp báo động

Trạm thuỷ văn: Ái Nghĩa

Nhóm năm Thời gian duy trì mực nước (ngày) >= Mức báo động

Báo động 3: 8,80 m Báo động 2: 7,70 m Báo động 1:6,40 m

Trạm thuỷ văn: Câu Lâu

Nhóm năm Thời gian duy trì mực nước (ngày) >= Mức báo động

Báo động 3: 3,70 m Báo động 2: 3,10 m Báo động 1:2,10 m

Trạm thuỷ văn: Hội An

Nhóm năm Thời gian duy trì mực nước (ngày) >= Mức báo động

Báo động 3:1,70m Báo động 2: 1,20 m Báo động 1:0,70 m

Lũ nhỏ Không có Không có 14 - 21

Dự báo lũ

1.3.1 Khái quát tình hình nghiên cứu dự báo lũ

Ngành khoa học dự báo lũ bắt đầu phát triển từ năm 1830 tại Pháp dưới sự lãnh đạo của Begơrăng, người đã thực hiện các tính toán dự báo cho sông Seine Đến năm 1850, việc dự báo lũ từ mưa được khởi xướng, và từ năm 1853 đến 1867, nhiều tổ chức dự báo đã được thành lập cho các sông như Seine và Maxơ ở Pháp, Ôđe và Enbơ ở Đức Năm 1839, Nga cũng thiết lập các trạm dự báo trên sông Vonga, đánh dấu sự hình thành các tổ chức dự báo thuỷ văn đầu tiên.

Hiện nay, nhiều quốc gia, đặc biệt là các nước phát triển, đã đạt được trình độ cao trong nghiên cứu dự báo dòng chảy, với các yếu tố ảnh hưởng như khí tượng, thủy văn, địa hình, thảm phủ, địa chất và thủy lực lòng sông Hệ thống trạm quan trắc đã được tự động hóa hoàn toàn, từ đo đạc đến truyền và cập nhật dữ liệu vào mô hình dự báo Phương pháp dự báo hiện đại chủ yếu sử dụng các mô hình thủy văn và thủy lực chạy trên máy tính cá nhân, thay thế cho các phương pháp truyền thống Các mô hình này được nghiên cứu phù hợp với từng lưu vực và đoạn sông cụ thể, cho phép dự báo đầy đủ các đặc trưng của trận lũ với độ chính xác tương đối chỉ bằng một số thao tác đơn giản trên máy tính.

Dự báo lũ trên hệ thống sông Thu Bồn-Vu Gia được thực hiện bởi Đài Khí tượng Thủy văn Khu vực Trung Trung bộ, với Trung tâm Dự báo KTTV Quảng Nam là cơ quan chịu trách nhiệm chính.

Trước năm 1985, công tác dự báo lũ tại Đài Khí tượng thuỷ văn Quảng Nam - Đà Nẵng gặp nhiều khó khăn do công nghệ lạc hậu và hệ thống thông tin yếu kém, dẫn đến kết quả hạn chế Tuy nhiên, từ năm 1995, việc sát nhập các Đài Khí tượng thuỷ văn thành Đài Khí tượng Thuỷ văn khu vực Trung Trung Bộ đã giúp cải thiện cơ sở vật chất và nguồn nhân lực, nhờ vào sự đầu tư từ Nhà Nước và nâng cấp máy móc đo đạc.

Hiện nay, công tác dự báo lũ đã được cải thiện nhờ vào công nghệ máy tính và phương pháp truyền dữ liệu hiện đại Tuy nhiên, mạng lưới trạm dự báo vẫn sử dụng thiết bị lạc hậu và cần sự can thiệp của con người, dẫn đến việc cập nhật số liệu không liên tục Do đó, các phương án dự báo chủ yếu vẫn dựa vào các phương pháp truyền thống.

1.3.2 Lý thuyết mô hình thủy văn

Trái đất, được gọi là 'hành tinh xanh', có 72% bề mặt được bao phủ bởi nước, điều này cho thấy nước có mặt khắp nơi trong hệ sinh thái và là yếu tố thiết yếu cho mọi dạng sống Hệ thống nước toàn cầu là một mạng lưới phức tạp, đã được nghiên cứu trong nhiều thế kỷ qua thông qua ngành thủy văn.

Hình 5 Các hiện tượng thủy văn

Thủy văn học là ngành khoa học nghiên cứu sự vận động, phân phối và chất lượng nước trên Trái Đất, bao gồm cả vòng tuần hoàn nước và các nguồn nước Ngành này đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý nguồn nước, giúp ngăn chặn các thảm họa môi trường như lũ lụt và hạn hán, đồng thời đảm bảo nguồn nước bền vững để tránh tình trạng thiếu nước nghiêm trọng Nghiên cứu thủy văn không chỉ tập trung vào sự phân bố và chuyển động của nước trên và dưới bề mặt đất mà còn xem xét các tương tác vật lý, hóa học và sinh học ảnh hưởng đến chất lượng nước Các vấn đề thủy văn có thể có tác động toàn cầu, như sự tương tác của băng tuyết với các quá trình thủy văn vĩ mô, trong khi các vấn đề vi mô lại chú trọng vào mối quan hệ giữa các quá trình hoạt động ở các quy mô khác nhau Mục tiêu cuối cùng của nghiên cứu thủy văn là nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người và bảo vệ môi trường cho động vật hoang dã.

Trong các mô hình thủy văn, mô hình mưa - dòng chảy là mô hình điển hình nhất.

Mô hình mưa - dòng chảy có thể được sử dụng để dự báo thời tiết và kiểm soát lũ lụt Các mô hình này được phân loại theo nhiều cách, bao gồm từ mô hình xác định đến mô hình ngẫu nhiên, từ mô hình dựa trên vật lý đến mô hình hộp đen, hoặc từ mô hình thực nghiệm đến mô hình khái niệm Dù có sự đa dạng trong phân loại, tất cả các mô hình đều sử dụng một tập hợp các thông số để đại diện cho toàn bộ lưu vực.

Các thông số mô hình đóng vai trò quan trọng trong các mô hình thủy văn, phản ánh các quá trình thủy văn và ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống Lý tưởng, giá trị của các thông số này nên được xác định qua các phép đo trực tiếp hoặc gián tiếp, nhưng điều này thường không khả thi do thiếu dữ liệu hoặc chi phí thu thập dữ liệu cao Ngay cả khi có dữ liệu, chúng có thể không nhất quán hoặc biến động Để giải quyết vấn đề này, một giải pháp là tìm một tập hợp các thông số mô hình sao cho đầu ra của mô hình phù hợp nhất với dữ liệu đo được, quá trình này được gọi là hiệu chuẩn mô hình.

Mô hình thủy văn giúp mô tả các hệ thống thủy văn trong thế giới thực một cách đơn giản và có nhiều loại, bao gồm mô hình khái niệm, thực nghiệm và vật lý Những mô hình này sử dụng các thông số như lượng mưa, bốc hơi, dòng chảy, nhiệt độ và địa hình để nâng cao hiểu biết về các quá trình thủy văn và quản lý tài nguyên môi trường Đối với một dự án cụ thể, mô hình lý tưởng cần đạt được hiệu quả tính toán, mô phỏng chi tiết không gian, yêu cầu đầu vào sẵn có và hoạt động liên tục theo thời gian.

Các mô hình quản lý hiệu quả cần có khả năng mô phỏng nhiều kịch bản khác nhau và đưa ra kết quả hợp lý Để đạt được điều này, các mô hình nên cho kết quả gần gũi với dữ liệu thực tế mà không yêu cầu quá nhiều độ phức tạp hay tham số.

Mô hình vật lý là phương pháp lý tưởng hóa toán học của môi trường thực, áp dụng các nguyên tắc vật lý để mô tả quá trình thủy văn trong không gian và thời gian Để đánh giá chính xác, mô hình yêu cầu nhiều thông số về các đặc điểm vật lý Tuy nhiên, do sự đa dạng của các biến trong quá trình thủy văn như độ ẩm đất và kích thước dòng chảy, việc hiệu chuẩn mô hình cần bổ sung thêm dữ liệu thủy văn và khí tượng.

Hình 6 Sơ đồ tính của mô hình thủy văn - thủy lực

Mô hình MIKE SHE là một công cụ mạnh mẽ có khả năng mô phỏng dòng chảy nước mặt, nước ngầm, thẩm thấu và thoát hơi nước Mô hình này sử dụng nhiều tham số để thể hiện các đặc điểm vật lý của lưu vực, bao gồm kiểu thảm thực vật, địa chất và sự biến đổi không gian, đồng thời mô tả các điều kiện khí tượng Với việc áp dụng mạng lưới ô vuông, MIKE SHE giúp đại diện cho sự biến đổi không gian của dữ liệu đầu vào Mô hình đã được triển khai thành công tại nhiều lưu vực, như The Elmley Marshes ở Vương quốc Anh và một lưu vực tại trung tâm California trong suốt 20 năm.

Mô hình sử dụng hệ thống hồ chứa để đại diện cho các yếu tố môi trường quan trọng như lượng mưa và bốc hơi Để mô phỏng các yếu tố vật lý trong lưu vực, mô hình này áp dụng các hồ chứa được làm đầy và khô, với nước được làm đầy lại từ lượng mưa và mất đi qua bốc hơi, chảy và thoát nước Phương pháp này dựa trên các phương trình bán thực nghiệm và sử dụng dữ liệu quan sát để hiệu chuẩn Một ví dụ điển hình của mô hình khái niệm này là GR4J.

Mô hình GR4J sử dụng dữ liệu về lượng mưa hàng ngày, khả năng thấm và bốc hơi nước để mô phỏng dòng chảy Mô hình này xem lưu vực lớn như một tập hợp các lưu vực nhỏ và áp dụng phương pháp mô phỏng gộp để kết nối chúng GR4J đã được áp dụng thành công ở nhiều lưu vực, bao gồm lưu vực Bagmati (3600 km²) tại Nepal và thượng nguồn lưu vực sông Citarum (6000 km²) từ năm 1997 đến 2001, cũng như tại Rheraya từ năm 1989 đến 2006 Dù có bốn tham số, GR4J vẫn mô phỏng dòng chảy với độ chính xác cao, cho kết quả tốt hơn so với các mô hình khác như Tank, SMAR, HBV, IHACRES và Xinanjiang.

Hình 7 Sơ đồ mô phỏng trong mô hình MIKE SHE [27]

Hình 8 Mô tả vật lý của quan hệ mưa và dòng chảy trong mô hình GR4J [25]

PHƯƠNG PHÁP NGHÊN CỨU

CẤU TRÚC MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU