Đăng ký thành viên

Các phương pháp điều chỉnh và thiết kế đập thích hợp với biến đổi khí hậu

Khi các thảm họa do biến đổi khí hậu đang gia tăng, cần có hành động khẩn cấp để hiện đại hóa các chiến lược chống lũ lụt trên toàn thế giới.

Hình ảnh Đập Sanford (bang Michigan, Mỹ) vài tháng sau khi vỡ đập năm 2020. Nghiên cứu cho thấy biến đổi khí hậu làm tăng lượng mưa, từ đó làm tăng nguy cơ xảy ra các sự kiện tương tự (Ảnh st)

Canađa có lịch sử lâu dài về lũ lụt tái diễn. Bảy trong số mười trận lũ lụt tốn kém nhất đã xảy ra trong khoảng thời gian từ năm 1980 đến năm 2019 và sau năm 2010. Xu hướng gia tăng rủi ro lũ lụt này đang gây ra những mối đe dọa đáng kể đối với các công trình quan trọng như đập và đê. Tuy nhiên, trong nghiên cứu gần đây do Tạp chí Discover Applied Sciences (Đức) công bố, vẫn còn thiếu hướng dẫn cấp quốc gia về việc tích hợp các khuôn khổ dựa trên độ dẻo dai, đồng thời giải quyết các rủi ro và không chắc chắn về khí hậu trong các phương pháp ước tính lũ lụt thiết kế hiện có cho đập và đê.

Biến đổi khí hậu làm thay đổi tần suất và cường độ lũ lụt, tạo ra thách thức lớn cho các phương pháp ước tính lũ thiết kế truyền thống. Các đập cũ ở Canađa gây ra nhiều rủi ro hơn cho hệ thống điện và an toàn cộng đồng. Khoảng một nửa số đập ở quốc gia này đã trên 50 năm tuổi. Nhiều đập đã có thiết kế và bảo trì tốt để chống chịu các sự kiện cực đoan, nhưng chưa tính đến tác động của biến đổi khí hậu. Một số đập đã xuống cấp và không thể sửa chữa, dễ hư hỏng ngay cả khi gặp mưa rào nhẹ hoặc dòng chảy trên đất liền. Mức độ dễ tổn thương này càng nghiêm trọng hơn khi các vụ ngập lụt lớn ngày càng gia tăng, thường xảy ra sau các đợt hạn hán nghiêm trọng. Các chuyên gia dự báo xu hướng này sẽ tiếp tục tăng do biến đổi khí hậu.

Hiện nay chúng ta vẫn thiếu hướng dẫn toàn diện và rõ ràng về các khuôn khổ dựa trên độ dẻo dai với khí hậu, dẫn đến sự không nhất trí giữa các kỹ sư và nhà hoạch định chính sách. Các nhà nghiên cứu muốn giải quyết khoảng thiếu hụt này bằng cách rà soát các quy trình ước tính lũ thiết kế, tác động tiềm ẩn của các xu hướng khí hậu và các điểm yếu của khu vực đối với biến đổi khí hậu, cũng như các rào cản và cơ hội để thúc đẩy khuôn khổ độ dẻo dai với khí hậu. Các nhà nghiên cứu xác định các khu vực cần can thiệp để nâng cao độ bền vững với khí hậu của các đập và đê ở Canađa. Họ dựa trên nghiên cứu tính dễ tổn thương với lũ lụt theo các mô hình khí hậu khu vực thay đổi và các tiêu chí thiết kế thủy văn liên quan.

Lũ lụt ở Canađa trong năm 2019. Lũ lụt thường xuyên có xu hướng tái diễn đang gây ra mối đe dọa đáng kể đối với các công trình quan trọng như đập và đê (Ảnh st)

Xu hướng lũ lụt tàn phá ngày càng gia tăng ở nhiều nơi khác nhau tại Canađa và các dự báo về tần suất tái diễn lũ lụt cao hơn trong điều kiện khí hậu thay đổi đã làm nổi bật nhu cầu về các sáng kiến ​​mới của khu vực và quốc gia để cập nhật ước tính lũ thiết kế. Các nhà nghiên cứu cho biết các phương pháp tiếp cận thông thường sử dụng các giả định khí hậu tĩnh không còn phù hợp để tính toán các giá trị thiết kế nữa và do đó cần phải phát triển các chiến lược mới không chỉ để tính đến hành vi động của hệ thống khí hậu mà còn giảm thiểu các hậu quả không mong muốn của biến đổi khí hậu trong tương lai. Họ nói thêm rằng, điều bắt buộc là phải liên tục cập nhật các ước tính về các thành phần rủi ro khác nhau, bao gồm tải trọng thủy văn và theo dõi phản ứng của hệ thống để tăng cường độ dẻo dai với khí hậu và cung cấp thông tin cho quá trình ra quyết định.

Những thách thức khác nhau trong việc ước tính lũ lụt thiết kế có tính đến yếu tố khí hậu cho đập và đê, bao gồm:

Những hạn chế về quy mô mẫu và các khó khăn trong việc nhận dạng sự kiện

Ước tính lũ thiết kế cho các đập phụ thuộc rất nhiều vào hồ sơ lịch sử về lưu lượng đỉnh và các sự kiện mưa cực đoan. Hồ sơ ngắn và thiếu thông tin chi tiết về đặc điểm của bão làm gia tăng mức độ không chắc chắn trong phân tích và dự báo. Để khắc phục vấn đề này, các nhà nghiên cứu ưu tiên áp dụng phương pháp tiếp cận theo khu vực nhằm ước tính cường độ lũ. Họ sử dụng tần suất, hoán vị các biến khí hậu và đặc điểm của bão để tính toán lũ theo Quy trình Bảo trì Phòng ngừa (PMP).

Phân tích đa biến

Việc tích hợp phân tích tần suất đa biến dựa trên mô hình hóa mối liên hệ giữa các đặc điểm lũ với các hướng dẫn ước tính lũ thiết kế hiện hành là rất quan trọng nhằm giải quyết sự phụ thuộc giữa các yếu tố như lưu lượng đỉnh, thể tích và thời gian lũ (ví dụ như đỉnh lũ, lưu lượng, khoảng thời gian lũ) và lũ kết hợp (ví dụ như sự xuất hiện đồng thời của lũ nước sông, lũ nước mưa và lũ ven biển) theo cách thực tế.

Kết hợp biến đổi khí hậu và giải quyết tình trạng không tĩnh tại

Sự ấm lên toàn cầu nhiều khả năng sẽ làm tăng lượng hơi nước trong khí quyển và do đó làm thay đổi về đặc điểm lượng mưa và các kiểu thời tiết cực đoan. Thực tế này cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu các kỹ thuật mới để ước tính lũ thiết kế cho cả đập, đê và bờ kè quy mô nhỏ lẫn lớn. Đồng thời, các chuyên gia cần phát triển hướng dẫn thiết kế phù hợp với điều kiện khí hậu đang thay đổi.

Định lượng sự không chắc chắn

Các phương pháp ước tính lũ thiết kế thông thường chưa đủ khả năng phản ánh hết mức độ không chắc chắn phức tạp liên quan đến biến đổi khí hậu, đặc biệt trong bối cảnh các hiện tượng thời tiết cực đoan ngày càng khó dự báo. Điều bắt buộc là phải thực hiện các bước để nhận dạng những yếu tố hiện diện ở các giai đoạn khác nhau của quá trình ước tính lũ thiết kế thông qua các hiểu biết mới và các phương pháp thống kê, chẳng hạn như sử dụng các phương pháp Bayesian (phương pháp suy luận thống kê) để nắm bắt định lượng sự không chắc chắn, hoặc thực hiện các thí nghiệm độ nhạy trên một phạm vi nhận thức hợp lý

Khung độ dẻo dai về khí hậu

Khi thiết kế cơ sở hạ tầng có tính đến tác động của biến đổi khí hậu, các đơn vị có thể nâng cao chất lượng dịch vụ, độ tin cậy vận hành, kéo dài tuổi thọ tài sản và mang lại lợi nhuận đầu tư bền vững hơn trong dài hạn. Tăng cường độ dẻo dai với khí hậu là quá trình liên tục, cần duy trì trong suốt vòng đời của tài sản. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng các khoản đầu tư vào khả năng thích ứng khí hậu thường mang lại lợi ích kinh tế cao hơn nhiều lần so với chi phí bỏ ra.

Trong nghiên cứu của mình, các chuyên gia đã áp dụng khuôn khổ độ dẻo dai với khí hậu, thiết kế riêng cho các công trình đập và đê, nhằm nâng cao khả năng thích ứng với điều kiện thời tiết cực đoan. Độ dẻo dai với khí hậu thể hiện qua bốn yếu tố cốt lõi của các công trình kiểm soát lũ lụt: ngưỡng năng lực, khả năng ứng phó, khả năng phục hồi và khả năng thích ứng với thay đổi.

Kinh nghiệm của Mỹ về biến đổi khí hậu

Nghiên cứu tại Mỹ cũng chỉ ra rủi ro cao liên quan đến vỡ đập do biến đổi khí hậu. Phân tích các hệ quả của lượng mưa và các sự kiện liên quan đến sự cố thủy văn gần đây của 552 đập trong cả nước cho thấy lượng mưa tăng cường có thể góp phần làm tăng các sự cố vỡ đập do tràn bờ.

Tỷ lệ vỡ đập trong thập kỷ đang tăng lên kể từ những năm 1970 và với hơn 90.000 đập đang lão hóa vẫn đang hoạt động, khả năng xảy ra lượng mưa lớn ngày càng tăng đang dẫn đến mối lo ngại tăng cao về khả năng vỡ đập trong tương lai.

Theo Tạp chí Natural Hazards (Các mối nguy tự nhiên), các tiêu chí thiết kế đập truyền thống yêu cầu phải thiết kế đập tràn để xử lý PMF (Lũ tối đa có thể xảy ra) bằng cách áp dụng PMP (Quy trình bảo trì phòng ngừa). Đa phần các đập lớn sử dụng phương pháp ước tính lũ cực đại PMF trong thiết kế, nhằm đảm bảo khả năng chống chịu với các trận lũ có chu kỳ tái diễn từ 104 đến 107 năm.

Tuy nhiên, các vụ vỡ đập trong 20 năm qua, cùng với nhiều trường hợp sắp vỡ, cho thấy chu kỳ tái diễn thực tế của các sự cố này có thể ngắn hơn nhiều so với giả định ban đầu. Ví dụ, các điều kiện khí hậu dẫn đến sự cố vỡ đập tràn Oroville năm 2017 và các vụ vỡ đập ở bang Michigan năm 2020 thực tế chỉ ở mức trung bình, không quá cực đoan như các thiết kế đã giả định. Đáng chú ý là trong số 630 vụ vỡ đập đã ghi nhận, 18 vụ chủ yếu là do tuyết tan trong các sự kiện lượng mưa vừa phải. Các nhà nghiên cứu cho biết nhiều vụ vỡ đập gần đây, bao gồm cả Oroville, các đập bang Michigan và các vụ vỡ đập ở Libya năm 2023, làm nổi bật hai yếu tố chính:

• Sự cố tràn bờ này bắt nguồn từ chuỗi sự kiện mưa lớn liên tiếp trước đó, làm tăng độ ẩm đất và tạo ra hiện tượng “trí nhớ đường phân thủy” – tức là khả năng lưu vực vẫn giữ ảnh hưởng từ các trận mưa trước. Khi trận mưa cuối cùng xảy ra, hồ chứa đã gần đầy, dẫn đến tràn bờ và mất an toàn công trình.
• Các nhà vận hành hồ chứa luôn duy trì hồ chứa mức tương đối đầy do yêu cầu vận hành dự đoán nhu cầu sử dụng nước trong tương lai hoặc để đáp ứng các yêu cầu theo quy định và do đó khả năng chứa lũ thấp khi xảy ra bão tràn bờ.

Các nhà nghiên cứu cho biết điều kiện thực tế trong các vụ vỡ đập thấp hơn nhiều so với các tiêu chí thiết kế đã giả định trước đây. Trong khi các thiết kế thường dựa vào kịch bản bão cực đoan xảy ra trong quá khứ, thì yếu tố gây ra sự cố lại liên quan chủ yếu đến độ ẩm đất cao trước thời điểm mưa lớn. Họ kết luận rằng các tiêu chuẩn thiết kế cơ sở hạ tầng thủy văn hiện tại là không đủ, xét đến sự gia tăng đáng kể về tần suất các sự kiện khí tượng cực đoan. Do đó, cần phải xem xét lại các tiêu chí thiết kế truyền thống để cân nhắc một tập hợp rộng hơn các điều kiện thực sự có thể dẫn đến sự cố.

Nghiên cứu tại Iran

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu thu thập từ các trạm quan trắc tổng hợp để phân tích vai trò riêng biệt của lượng mưa cực lớn trong việc làm trầm trọng thêm các sự cố lũ lụt (Ảnh st)

Các nghiên cứu tại Iran cũng đưa ra những kết luận tương tự như nhiều nghiên cứu khác tại Bắc Mỹ, cho thấy tính phổ biến và nhất quán của các vấn đề liên quan đến thiết kế và vận hành đập trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Mặc dù người ta đã sử dụng các công trình thủy lực trong nhiều thập kỷ để kiểm soát lũ lụt, tính năng dự kiến ​​của chúng ở tần suất hoặc cường độ mưa khác nhau của lượng mưa cực đoan do biến đổi khí hậu giờ đây có thể kém chắc chắn hơn.

Nghiên cứu này đã sử dụng dữ liệu viễn thám và dữ liệu thực địa tại lưu vực Imamzadeh Davood ở miền Trung Bắc Iran, nơi đã hứng chịu trận lũ quét tàn khốc vào tháng 7 năm 2022. Người ta thu thập dữ liệu về hình thái sông, các đặc điểm cấu trúc của 18 đập cần kiểm tra và các mô hình trầm tích. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu thu thập từ các trạm quan trắc tổng hợp để phân tích vai trò riêng biệt của lượng mưa cực lớn trong việc làm trầm trọng thêm các sự cố lũ lụt.

Các nhà nghiên cứu phát hiện một sự kiện mưa chưa từng ghi nhận trong lưu vực, với chu kỳ tái diễn trên 100 năm. Sự kiện này gây ra hậu quả nghiêm trọng, cho thấy rõ tác động ngày càng lớn của các trận mưa cực đoan do biến đổi khí hậu tại nhiều khu vực. Các quan sát tại chỗ cho thấy toàn bộ 18 đập cần kiểm tra đều bị phá hủy từ 17% đến 100% trong sự kiện lũ lụt này, trong khi các đập cần kiểm tra ở thượng nguồn cho thấy mức độ phá hủy cao hơn. Phân tích độ ổn định bên ngoài cho thấy rằng dưới tác động của các lực tĩnh, 100% và 62% các đập cần kiểm tra có khả năng chống trượt và lật. Tuy nhiên, xét đến sự phá hủy quan sát thấy của tất cả các đập cần kiểm tra và độ sâu lắng đọng trầm tích cao trong hành lang sông, các phân tích sâu hơn thông qua cân nhắc các lực động và tác động của đá cho thấy cú sốc do dòng các mảnh vỡ chưa từng có này là nguyên nhân gây ra sự cố vỡ đập cần kiểm tra từ thượng nguồn đến hạ nguồn.

Những phát hiện của các nhà nghiên cứu trong tạp chí Natural Hazards nhấn mạnh rằng để tăng độ dẻo dai của các hệ thống kiểm soát lũ lụt, các chuyên gia cần đánh giá lại các nguyên tắc thiết kế công trình thủy lợi trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng tác động rõ rệt đến tần suất và cường độ của các hiện tượng thời tiết cực đoan.

Rà soát thiết kế GLOF (Lũ quét hồ núi băng )

Các cuộc thanh tra bắt buộc sẽ cho phép nhà vận hành phát hiện các thay đổi từ nhỏ nhất, nhận dạng sớm thảm họa (Ảnh st)

Ủy ban Nước Trung ương (CWC) tại Ấn Độ đã quyết định rà soát lại lũ thiết kế của tất cả các đập hiện có và các đập đang xây dựng dễ bị tổn thương do lũ quét hồ núi băng (GLOF). Điều này nhằm đảm bảo khả năng đập tràn của họ đủ cho sự kết hợp của Lũ lụt tối đa có thể xảy ra/Lũ lụt có thể xảy ra chuẩn và GLOF.

Các cơ quan chức năng đưa ra quyết định này sau vụ vỡ Đập thủy điện Teesta-III vào tháng 10 năm 2023. Một trận lũ lụt do vỡ hồ băng từ hồ Lhonak đã cuốn trôi con đập cao 60m vốn là một phần của dự án thủy điện lớn nhất Sikkim.

Hơn nữa, các nghiên cứu GLOF hiện đã trở thành bắt buộc đối với tất cả các đập mới quy hoạch có hồ băng trong lưu vực của chúng. CWC theo dõi 902 hồ băng và nước trong khoảng thời gian từ tháng 6 đến tháng 10 hàng năm. Chúng bao gồm 477 hồ băng và các thủy vực có diện tích nước lớn hơn 50ha và 425 hồ băng có diện tích từ 10-50ha. Các cuộc thanh tra bắt buộc như vậy sẽ cho phép phát hiện bất kỳ thay đổi nào, nhận dạng những thay đổi đã mở rộng đáng kể trong tháng theo dõi theo quan điểm thảm họa.

Ủy ban Giảm thiểu Rủi ro Thảm họa, với đại diện từ sáu bang Himalaya và các bên liên quan khác, đã nhận dạng một loạt các hồ băng có nguy cơ cao. Các đoàn thám hiểm sẽ đến thăm những hồ này để trực tiếp đánh giá các hồ và chuẩn bị các chiến lược giảm thiểu toàn diện về mặt thiết lập hệ thống cảnh báo sớm và các biện pháp có cấu trúc và phi cấu trúc khác.

Các chuyên gia đã nhận dạng 47 đập (gồm 38 đập đang vận hành và 9 đập đang xây dựng) có khả năng chịu ảnh hưởng bởi lũ quét hồ núi băng (GLOF) trên lãnh thổ Ấn Độ. Các nhà nghiên cứu đã hoàn thành khảo sát GLOF cho 31 dự án. Bộ Khoa học Trái đất thông qua viện tự chủ của mình, Trung tâm Nghiên cứu Đại dương và Cực quốc gia, đã theo dõi và tiến hành nghiên cứu khoa học về hai hồ tiền băng hà ở lưu vực Chandra kể từ năm 2013.

Ấn Độ đang thúc đẩy việc xem xét lại thiết kế của tất cả các đập hiện có và các đập đang xây dựng có nguy cơ bị lũ lụt do lũ quét hồ núi băng (GLOF) (Ảnh st)

Biên dịch: Hồ Văn Minh

Theo “Water power magazine”, tháng 2/2025