Phân tích, lựa chọn tần suất chống lũ cho khu vực hữu sông Bùi, huyện Chương Mỹ, Thành phố Hà Nội

Lựa chọn tần suất chống lũ cho khu vực sông Bùi, huyện Chương Mỹ, thành phố Hà Nội có ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong công tác lập Kế hoạch ứng phó, quản lý lũ lụt và hiệu quả đầu tư đối với hệ thống công trình phòng chống lũ. Kết hợp giữa mô hình thủy lực 2 chiều (MIKE FLOOD) và mô hình phân tích kinh tế lũ HEC-FDA, cùng với sự hỗ trợ của công nghệ viễn thám, GIS để tính toán diện tích ngập lụt các kịch bản, thiệt hại theo các cấp độ rủi ro (tần suất lũ - mực nước lũ trên sông) và thiệt hại bình quân hàng năm trên khu vực trước và sau khi đầu tư xây dựng hệ thống đê, trạm bơm tiêu, từ đó lựa chọn được tần suất chống lũ khu vực hữu sông Bùi, huyện Chương Mỹ, Thành phố Hà Nội.

Sản phẩm nghiên cứu là cơ sở khoa học cho các bên liên quan ra quyết định đầu tư cũng như xây dựng phương án ứng phó để giảm thiểu thiệt hại khi có lũ, lụt xảy ra trên địa bàn. 

Từ khóa: sông Bùi, Chương Mỹ, thiệt hại lũ, HEC- FDA, MIKE FLOOD

Đặt vấn đề

Khu vực sông Tích, sông Bùi là khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng của ngập lũ. Trong quá khứ đã có nhiều trận lũ lịch sử xảy ra như năm 1971, 1985, 2008 và gần đây là lũ các năm 2017, 2018. Hai năm liên tiếp (2017, 2018) đã xuất hiện lũ lớn trên sông Bùi tại Yên Duyệt và vượt lũ lịch sử: năm 2008 (7,41 m), năm 2017 (7,14 m), năm 2018 (7,51 m); đã gây thiệt hại nặng nề đến sản xuất và đời sống của nhân dân trong khu vực hữu Tích và hữu Bùi; làm tràn vỡ đê, ngập lụt dài ngày diện rộng, đe dọa tràn và vỡ đê tả Tích, tả Bùi.

Hình 1. Khu vực hữu sông Bùi - huyện Chương Mỹ

Để lựa chọn được tần suất chống lũ cho khu vực hữu sông Bùi, huyện Chương Mỹ, thành phố Hà Nội; nghiên cứu này sẽ ứng dụng mô hình thủy lực là bộ phần mềm họ MIKE gồm MIKE 11 kết hợp MIKE 21FM (MIKE FLOOD) để nghiên cứu dòng chảy lũ và mô hình phân tích kinh tế lũ HEC - FDA để tính toán thiệt hại theo các cấp độ rủi ro cùng với sự hỗ trợ của phần mềm ArcGIS xây dựng bản đồ ngập lụt, đánh giá nguy cơ ngập lụt cho lưu vực. 

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp tính toán thủy lực

Bộ mô hình MIKE FLOOD của Viện thủy lực Đan Mạch (DHI) được sử dụng để mô phỏng các trận lũ theo các tần suất, tính toán tác động của các công trình chống lũ đến dòng chảy lũ và khả năng gây ngập lụt của khu vực nghiên cứu. MIKE FLOOD được tạo bởi sự liên kết giữa mô hình MIKE11 và MIKE21FM; được thiết lập bằng hệ thống các liên kết từ mạng sông trong MIKE 11 đến miền tính của MIKE 21FM. Khi mực nước trong lòng sông của mô hình MIKE 11 vượt quá cao độ bờ sông tại một điểm bất kỳ nước sẽ tràn vào bãi (khu vực thuộc phạm vi tính toán của mô hình MIKE 21FM).

Mô hình MIKE 11

Mô hình 1 chiều mô phỏng các dòng chính sông Tích, Bùi, Đáy… và các sông nhánh, kênh tiêu đi qua khu vực hữu sông Bùi, huyện Chương Mỹ, bao gồm các trục sông lớn ảnh hưởng đến vùng nghiên cứu.

Mô hình MIKE21FM 

Mô hình MIKE21FM xây dựng từ dữ liệu đường đồng mức, cao độ của khu vực nghiên cứu. Lưới sử dụng trong mô hình là lưới tam giác, chia ra 2 khu vực với độ chi tiết khác nhau.

Trong mô hình MIKE 21 tiến hành thiết lập và mô phỏng hệ thống đê điều cũng như các tuyến đường giao thông chính trong vùng nghiên cứu thông qua mô đun công trình.

Liên kết giữa mô hình MIKE11 và MIKE21 có tổng số 67 đoạn liên kết cho các đoạn sông (Hình 2).

Hình 3. Mô hình MIKE FLOOD

Phương pháp đánh giá thiệt hại

Ứng dụng mô hình HEC-FDA của Trung tâm Kỹ thuật Thuỷ văn Hoa Kỳ để phân tích tính toán các thiệt hại lũ. Mô hình kết hợp giữa kỹ thuật thuỷ văn và phân tích kinh tế trong việc xây dựng và thẩm định quản lý rủi ro. Mô hình HEC-FDA là mô hình đã được kết nối giữa dữ liệu đầu ra của thủy văn - thủy lực và dữ liệu đầu vào của kinh tế để tính toán thiệt hại lũ gây ra theo các cấp độ mưa lớn và lũ theo các tần suất khác nhau. 

Xác suất thiệt hại là một hàm được thể hiện trong công thức sau:

Trong đó: 

- F(D): Hàm thiệt hại ứng với xác suất vượt quá định mức;

- f(D): Hàm mật độ xác suất 

- P[D>d]: xác suất mà D vượt quá d.

Dữ liệu của mô hình bao gồm dữ liệu thủy văn - thủy lực, dữ liệu kinh tế cần thiết cho phân tích. Mô hình cung cấp các công cụ để trực quan hóa dữ liệu và kết quả, tính toán dự kiến thiệt hại hàng năm (EAD) và thiệt hại hàng năm tương đương, tính xác suất vượt quá hàng năm (AEP) và có điều kiện xác suất không vượt quá theo yêu cầu, thực hiện các quy trình phân tích rủi ro.

Kết quả nghiên cứu

Kết quả tính toán các kịch bản theo các tần suất ứng với công trình phòng chống lũ hiện trạng

Để phân tích lựa chọn cao trình đê cho khu vực hữu sông Tích, sông Bùi; các kịch bản theo các tần suất lũ xuất hiện sau đây được thiết lập: Kịch bản 1.1: Chuyển lũ sông Đáy; Kịch bản 1.2: Tần suất 1%; Kịch bản 1.3 : Tần suất 2%; Kịch bản 1.4: Tần suất 5%.

Đường quá trình lũ năm 2008 được lựa chọn là lũ điển hình để tiến hành tính toán mực nước lũ và xác định diện tích ngập lụt theo từng mức ngập cụ thể:

Bảng 1. Kết quả tính toán mực nước lớn nhất theo các kịch bản (m)

Bảng 2. Kết quả tính toán diện tích ngập lụt theo các vùng tiêu (ha)

Kết quả tính toán các kịch bản theo các tần suất ứng với giải pháp công trình

Nhóm nghiên cứu đề xuất 2 phương án tuyến đê phòng chống lũ: (1) Khép kín toàn bộ tuyến đê hữu Bùi cao trình tuyến đê +8,6 đến +9,6 m chống được lũ 2% và chuyển lũ 2.500 m3/s; (2) Phương án đê phân tán, không liền tuyến: Nâng toàn tuyến đê hữu Bùi lên cao trình +7,0 đến +8,0 m chống lũ lịch sử nội tại; đê Bùi 2 lên +7,0 m, đê mới Tân Tiến +7,0 m; các tuyến đê bao, đường liên xã trên +7,0 m.

Kết quả tính toán mô hình xác định được nước lũ lớn nhất dọc sông với các kịch bản có giải pháp công trình như sau:

Bảng 3. Kết quả tính toán mực nước lớn nhất theo các kịch bản - Phương án đê khép kín

Bảng 4. Kết quả tính toán mực nước lớn nhất theo các kịch bản - Phương án đê phân tán

Khi khép kín tuyến đê hữu Bùi và đảm bảo tuyến đê chống được lũ 2%, đồng thời chuyển lũ vào sông Đáy thì khu vực hữu Bùi không bị ngập lụt.

Kịch bản đê phân tán, cao trình đê hữu Bùi chống được lũ lịch sử nội tại (từ +7,0 đến +8,0 m). Kịch bản chuyển lũ vào sông Đáy vẫn gây ngập cho vùng hữu Bùi như kịch bản đê hiện trạng. Các kịch bản còn lại chỉ gây ngập cho 2 khu vực tiêu tự chảy Đồng Nấp và hạ lưu hồ Văn Sơn - Đồng Sương. Vì vậy diện tích ngập lụt sẽ chỉ tính toán cho 2 khu vực tiêu này.

Bảng 5. Kết quả tính toán diện tích ngập lụt theo các vùng tiêu - phương án đê phân tán

Xác định thiệt hại do lũ, ngập lụt đối với dân sinh và các ngành kinh tế

Khu vực nghiên cứu có 26 xã, thị trấn được phân ra các khu ngập lũ theo 16 cấp về cao độ. Ngoài ra khu vực hữu sông Bùi huyện Chương Mỹ sẽ được phân chi tiết thành 18 vùng tiêu nhỏ.

Đối tượng thiệt hại chủ yếu được xác định theo 7 nhóm chính: Tài sản cố định (nhà cấp 3, cấp 4, cơ sở công nghiệp), nông nghiệp (lúa, màu, thuỷ sản), cơ quan (trụ sở hành chính, trường học, bưu chính viễn thông, bệnh viện, trạm xá), thuỷ lợi (đê kè, trạm bơm, kênh mương), giao thông (đường quốc lộ, đường nhựa, đường bê tông, đường đô thị), hệ thống điện (trạm biến áp, hệ thống đường dây trung và hạ áp), di tích lịch sử.

Số liệu tài sản cố định và cơ sở hạ tầng của từng xã, thị trấn, vùng tiêu được thu thập và phân thành các khu nhỏ tương ứng với từng cấp cao độ dựa trên sự hỗ trợ của bản đồ sử dụng đất và dữ liệu cao độ số tỷ lệ 1/10.000 và được hiệu chỉnh với số liệu khảo sát thực tế tại từng địa phương.

Thiệt hại tối đa và đường cong thiệt hại với độ sâu ngập lụt của các đối tượng được xây dựng và xác định dựa trên cơ sở nghiên cứu đánh giá thiệt hại của các trận lũ của JVC (Ủy ban Châu Âu) nghiên cứu cho toàn cầu, trong đó kết quả nghiên cứu riêng đối với khu vực Châu Á. Nghiên cứu này đã có những điều chỉnh để phù hợp hơn với địa hình bán sơn địa của khu vực hữu sông Bùi.

Bảng 6. Thiệt hại tối đa của các loại hình (109 đồng)

Xác định thiệt hại do lũ, ngập lụt theo tần suất lũ 

Mô hình đã tính toán thiệt hại (109 đồng) cho 7 loại hình thiệt hại ngập lụt và tổng thiệt hại của từng khu ngập lụt ứng với từng tần suất xuất hiện lũ. 

Hình 3. Quan hệ tần suất xuất hiện lũ và thiệt hại khu ngập lũ

Tổng hợp thiệt hại tính cho cả lưu vực sông Tích, sông Bùi ứng với các cấp độ rủi ro do lũ (tần suất lũ) của vùng nghiên cứu với các trường hợp đê hữu Bùi với các phương án: 1. Tuyến đê phân tán, cao trình đê chống lũ lịch sử; 2. Tuyến đê phân tán, cao trình đê chống lũ khi chuyển lũ sông Đáy; 3. Tuyến đê tập trung, cao trình đê chống lũ lịch sử; 4. Tuyến đê tập trung, cao trình đê chống lũ khi chuyển lũ sông Đáy.

Bảng 7. Tổng hợp thiệt hại lưu vực sông Tích-Bùi ứng với các cấp độ lũ (109 đồng)

Tính toán thiệt hại do lũ, ngập lụt bình quân hàng năm

Khi có phương án đê khép kín, thiệt hại của khu vực nghiên cứu bằng 0; khi phương án đê phân tán thiệt hại của khu vực nghiên cứu giảm so với hiện trạng.

Bảng 8. Thiệt hại bình quân hàng năm lưu vực sông Tích-Bùi (109 đồng)

Phân tích lựa chọn tuyến và cao trình đê hữu sông Bùi

Việc xây dựng tuyến đê phân tán theo 4 đoạn như hiện nay được phân tích là có hiệu quả hơn nhiều so với việc xây dựng đê liền tuyến. Bởi vì khi xây dựng đê liền tuyến cần phải cắt lũ rừng ngang và đầu tư trạm bơm tiêu với công suất lớn: Khi xây dựng đê phân tán, cao trình đê +7,0 m đến +8,2 m chống lũ lịch sử năm 2008 (2%): Chỉ cần nâng cao một số đoạn đê Hữu Bùi và các đê bao và đầu tư các trạm bơm phân tán có công suất nhỏ; Khi xây dựng đê tập trung, cao trình đê +7,0 m đến +8,0 m chống lũ lịch sử năm 2008 (2%): Có thể rút ngắn chiều dài đê cần nâng cấp so với trường hợp đê phân tán (11 km) nhưng cần đầu tư các trạm bơm tiêu lớn hoặc xây dựng các kênh cắt lũ núi rất tốn kém. 

Đối với việc lựa chọn cao trình đê: Khi xây dựng đê phân tán (PA1), cao trình đê +7,0m đến +8,2m chống lũ lịch sử năm 2008 (2%): thiệt hại lũ bình quân giảm từ 71,7 tỷ đồng xuống 34,4 tỷ đồng; Khi xây dựng đê phân tán, cao trình đê +8,33m đến +9,22m chống lũ khi chuyển lũ vào sông Đáy (PA2): thiệt hại lũ bình quân giảm từ 71,7 tỷ đồng xuống 32,1 tỷ đồng. So với PA1, thiệt hại ở khu vực hữu Bùi giảm xuống nhưng thiệt hại ở các khu vực khác tăng lên. Mặc dù được bảo vệ khi có phân lũ và thiệt hại trong trường hợp phân lũ giảm gầm 1.000 tỷ đồng so với PA1 nhưng thiệt hại bình quân hàng năm lũ lại chỉ giảm 2 tỷ đồng do tần suất khi chuyển lũ là rất nhỏ. Như vậy, với việc đầu tư nâng cao trình đê khu vực Hữu sông Bùi lên để chống lũ (khi có chuyển lũ 2.500 m3/s vào sông Đáy) không mang lại hiệu ích kinh tế và có thể làm tăng thiệt hại cho các khu vực không có đê bảo vệ trong trường hợp xuất hiện lũ nội tại.

Vì những lý do đó, nhóm nghiên cứu đề xuất lựa chọn tần suất chống lũ của khu vực hữu sông Bùi, huyện Chương Mỹ là chống lũ lịch sử (tương đương tần suất 2%) thay cho tiêu chuẩn chống lũ khi chuyển lũ từ sông Hồng vào sông Đáy 2.500 m3/s như quy định tại Quyết định 1821/QĐ-TTg ngày 07/10/2014.

Kết luận

Bằng sự hỗ trợ của các mô hình toán hiện đại, nghiên cứu đã xây dựng được bản đồ ngập lụt, quan hệ giữa thiệt hại và mực nước lũ của các khu tiêu trong khu vực nghiên cứu. 

Thiệt hại trong khu vực hữu Bùi trong giai đoạn hiện tại (2022) có thể từ 50 đến 1.100 tỷ đồng tùy thuộc vào cấp độ rủi ro (tần suất xuất hiện lũ hay mực nước lũ trên sông). Thiệt hại bình quân hàng năm khu vực ước tính khoảng 48 tỷ đồng/năm. Với đề xuất phương án chọn là nâng cấp hệ thống đê hữu Bùi để chống được lũ lịch sử (tương đương với tần suất 2%) thì thiệt hại bình quân hàng năm giảm xuống còn 11 tỷ đồng/năm. 

Như vậy, nâng cao trình đê để chống lũ khi chuyển lũ từ sông Hồng vào sông Đáy 2.500 m3/s không mang lại hiệu quả kinh tế, bên cạnh đó còn làm gia tăng rủi ro ngập lụt cho khu vực tả Tích, do vậy đề xuất lựa chọn chọn tần suất chống lũ của khu vực hữu sông Bùi, huyện Chương Mỹ là chống lũ lịch sử (tương đương tần suất 2%).

Kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở khoa học để lựa chọn các giải pháp chống lũ, tần suất chống lũ cho khu vực hữu Tích, hữu Bùi phù hợp với diễn biến về mưa và địa hình của khu vực. Bên cạnh đó kết quả cũng là cơ sở để xây dựng kế hoạch ứng phó với lũ, ngập lụt phù hợp, góp phần giảm thiểu thiệt hại và quản lý tổng hợp rủi ro do lũ.

NGUYỄN THỊ BÍCH THỦY, TRẦN THỊ MAI SỨ
Viện Quy hoạch Thủy lợi
Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 5 năm 2024