Mô hình dự báo lũ: từ lượng mưa ra mực nước sông như thế nào

Mô hình dự báo lũ là chuỗi các phép tính trên máy tính biến lượng mưa dự báo và đo được thành lưu lượng, rồi thành mực nước tại từng trạm trên sông vài giờ đến vài ngày tới. Nó thường gồm hai tầng: mô hình thuỷ văn tính mưa trên lưu vực chảy ra sông bao nhiêu, và mô hình thuỷ lực tính dòng lũ chạy dọc sông, dâng cao đến đâu, tràn bãi chỗ nào.

Nói gọn, câu hỏi mà mô hình trả lời là: trận mưa đang và sắp rơi trên núi kia, bao giờ sẽ về tới thị trấn ven sông, và khi về thì nước cao đến vạch nào. Câu trả lời đó quyết định có sơ tán bãi sông hay không, hồ chứa có cần hạ mực nước đón lũ hay không.

Từ giọt mưa đến dòng sông: chuyện gì xảy ra trên lưu vực

Lưu vực là toàn bộ vùng đất mà nước mưa rơi xuống sẽ chảy về một dòng sông. Không phải giọt mưa nào cũng ra sông ngay. Một phần bị lá cây giữ lại, một phần thấm vào đất, một phần đọng ở ao hồ, ruộng trũng. Chỉ phần còn lại chảy tràn trên mặt đất, vào khe suối rồi ra sông. Phần thấm xuống đất cũng không mất đi mà chảy chậm trong tầng đất, nhiều ngày sau mới ra sông.

Ba yếu tố khiến cùng một lượng mưa nhưng lũ khác hẳn nhau:

• Đất đã no nước chưa. Sau nhiều ngày mưa, đất không thấm thêm được, gần như toàn bộ mưa mới sẽ chảy tràn. Đây là lý do đợt mưa thứ hai, thứ ba trong một mùa lũ thường gây lũ lớn hơn đợt đầu dù lượng mưa tương đương.
• Độ dốc và hình dạng lưu vực. Lưu vực dốc, hình nan quạt dồn nước về một điểm rất nhanh. Lưu vực dài, thoải thì nước về rải rác, đỉnh lũ thấp và đến muộn.
• Mặt phủ. Rừng, ruộng bậc thang giữ nước lâu hơn; đất trống, bê tông, mái nhà cho nước chạy gần như tức thì.

Thời gian để nước từ điểm xa nhất của lưu vực chảy về cửa ra gọi là thời gian tập trung nước. Lưu vực vài chục kilômét vuông ở vùng núi có thể chỉ mất vài chục phút đến vài giờ. Lưu vực sông lớn như sông Hồng, sông Mê Kông thì tính bằng ngày, bằng tuần.

Tầng thứ nhất: mô hình mưa – dòng chảy

Mô hình thuỷ văn, hay mô hình mưa – dòng chảy, mô phỏng quá trình trên bằng phương trình. Từ thế kỷ trước, các nhà thuỷ văn đã có những công cụ cổ điển còn dùng đến nay:

• Đường quá trình đơn vị, do kỹ sư người Mỹ L. K. Sherman đề xuất năm 1932: giả định mỗi lưu vực có một "dáng lũ" đặc trưng cho một đơn vị mưa hiệu quả, mưa nhiều gấp đôi thì lũ cao gấp đôi theo cùng dáng đó.
• Mô hình bể chứa, do nhà thuỷ văn Nhật Bản Sugawara phát triển: coi lưu vực như vài chiếc bể chồng lên nhau, mỗi bể có lỗ rò ở thành và đáy, tượng trưng cho dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt và dòng ngầm. Mô hình này đơn giản, dễ hiệu chỉnh nên từng được dùng rộng rãi ở Việt Nam.
• Mô hình khái niệm như NAM (trong bộ MIKE của Đan Mạch), HEC-HMS (của Công binh Lục quân Hoa Kỳ): chia quá trình thành nhiều "kho" nước với các thông số được hiệu chỉnh theo số liệu quá khứ.
• Mô hình phân bố: chia lưu vực thành lưới ô vuông, mỗi ô có địa hình, loại đất, lớp phủ riêng, tính nước chảy từ ô này sang ô kia. Mô hình này đòi hỏi nhiều dữ liệu và máy tính mạnh, nhưng mô tả tốt hơn những lưu vực lớn, mưa không đều.

Không có mô hình nào là tốt nhất cho mọi sông. Dự báo viên chọn theo dữ liệu có sẵn, kích thước lưu vực và kinh nghiệm thực tế với dòng sông đó.

Tầng thứ hai: mô hình thuỷ lực dọc sông

Khi nước đã vào sông, câu hỏi chuyển sang: dòng lũ chạy dọc sông thế nào, khi gặp chỗ hẹp, cầu, nhánh sông nhập vào, triều biển đẩy ngược lên thì dâng cao đến đâu. Mô hình thuỷ lực giải các phương trình Saint-Venant, mô tả dòng chảy hở một chiều theo hai nguyên lý: bảo toàn khối lượng và bảo toàn động lượng. Các phần mềm phổ biến là MIKE 11, HEC-RAS và các phiên bản phát triển trong nước.

Mô hình thuỷ lực cần một thứ cực kỳ quan trọng: mặt cắt ngang lòng sông, đo dày theo chiều dài sông. Lòng sông bị khai thác cát, bồi lắng hay xói sâu sau vài năm sẽ làm mô hình lệch, nên việc đo đạc lại địa hình lòng sông định kỳ là phần không thể thiếu.

Ở vùng đồng bằng, mô hình còn phải tính cả hồ chứa xả nước phía trên, đê bao, cống, và thuỷ triều phía cửa sông. Lũ ở hạ lưu sông Mê Kông hay sông Hồng gần cửa biển chịu tác động cùng lúc của nước từ trên về và triều từ dưới lên; một con nước triều cường trùng với đỉnh lũ có thể nâng mực nước thêm đáng kể.

Một bản tin lũ được làm ra như thế nào

1. Thu số liệu: lượng mưa từ trạm đo tự động và radar, mực nước và lưu lượng từ trạm thuỷ văn, mực nước và lưu lượng xả từ hồ chứa, dự báo mưa từ mô hình thời tiết.
2. Đồng hoá số liệu: so mực nước mô hình tính cho hôm qua với số đo thực, chỉnh trạng thái mô hình (độ ẩm đất, lượng nước trong sông) cho khớp trước khi tính tiếp.
3. Chạy mô hình mưa – dòng chảy cho các lưu vực con, rồi chạy thuỷ lực dọc sông chính.
4. Chạy nhiều kịch bản: mưa theo dự báo, mưa nhiều hơn, mưa ít hơn; hoặc dùng cả một tập dự báo tổ hợp từ nhiều lần chạy mô hình thời tiết.
5. Dự báo viên quyết định: xem các kết quả, đối chiếu kinh nghiệm những trận lũ trước, rồi chốt con số đưa vào bản tin, kèm cấp báo động và cấp độ rủi ro.

Bước cuối cùng mang tính con người nhất. Mô hình có thể cho đỉnh lũ 7,8 m hoặc 8,4 m tuỳ kịch bản; dự báo viên phải chọn con số và cách diễn đạt sao cho cảnh báo vừa đủ sớm, vừa không quá tay.

Thời gian dự kiến và độ tin cậy

Có một quy luật đơn giản: sông càng lớn, dự báo càng dài và càng chắc; lưu vực càng nhỏ, dự báo càng ngắn và càng khó.

Với sông lớn, phần lớn nước đã nằm trong sông ở thượng nguồn lúc làm dự báo, nên dự báo chủ yếu là tính nước đó chạy về bao giờ, phần phụ thuộc vào mưa tương lai nhỏ hơn. Với suối nhỏ, gần như toàn bộ lũ phụ thuộc vào cơn mưa chưa rơi, nên sai số dự báo mưa truyền thẳng vào dự báo lũ. Đó là lý do lũ quét cần một cách cảnh báo riêng, dựa nhiều vào ngưỡng mưa và cảm biến tại chỗ hơn là mô hình sông.

Những hệ thống dự báo lũ đáng biết

• Ở Việt Nam, hệ thống dự báo khí tượng thuỷ văn quốc gia và các đài khu vực vận hành mô hình cho các lưu vực sông chính, ra bản tin lũ, bản tin lũ khẩn cấp trong mùa mưa. Với hồ chứa, quy trình vận hành liên hồ trên từng lưu vực dựa vào chính những dự báo này để quyết định khi nào hạ mực nước đón lũ.
• Ủy hội sông Mê Kông có trung tâm dự báo lũ cho toàn lưu vực, chia sẻ số liệu mực nước từ nhiều trạm của các nước thành viên, giúp hạ lưu có thêm thời gian chuẩn bị.
• GloFAS, hệ thống cảnh báo lũ toàn cầu thuộc chương trình Copernicus của châu Âu, chạy mô hình cho mọi sông lớn trên thế giới với dự báo tổ hợp tới vài tuần, dùng làm nguồn tham khảo bổ sung cho các nước còn thiếu năng lực.

Đọc dự báo lũ cho khôn ngoan

Với cán bộ cơ sở và người dân ven sông, hiểu cách mô hình làm việc giúp đọc bản tin tốt hơn:

• Con số đỉnh lũ là giá trị dự kiến có biên sai số, không phải lời hứa. Khi bản tin nói "đỉnh lũ có khả năng đạt", hãy chuẩn bị cho mức cao hơn một chút.
• Thời điểm đỉnh lũ quan trọng không kém độ cao. Biết đỉnh lũ về lúc nửa đêm thì phải sơ tán từ chiều, không đợi trời tối.
• Theo dõi các bản tin cập nhật. Khi trạm phía thượng nguồn đã lên cao, độ tin cậy của dự báo cho hạ lưu tăng lên rõ rệt.
• Hồ chứa phía trên xả nước làm thay đổi lũ hạ du nhanh. Thông báo xả lũ của hồ là thông tin phải nghe song song với bản tin lũ.

Muốn hiểu sâu hơn, học sinh và sinh viên có thể tìm giáo trình thuỷ văn công trình ở các trường đại học thuỷ lợi, hoặc tải bản miễn phí HEC-HMS, HEC-RAS để thử dựng mô hình cho một con suối gần nhà. Thử một lần sẽ thấy vì sao dự báo viên luôn đòi thêm trạm đo mưa.