ICOLD Bullentin 170 - HƯỚNG DẪN VỀ ĐÁNH GIÁ LŨ VÀ AN TOÀN ĐẬP [Bài 2]

Bài 2: Giới thiệu 

Thủy văn và các yếu tố bất định

Cũng như nhiều ngành khoa học khác, thủy văn đã phát triển liên tục qua thời gian. Những nghiên cứu đầu tiên có thể được truy ngược về Aristoteles, người đã hình dung về vòng tuần hoàn nước từ thế kỷ IV trước Công nguyên. Vài thế kỷ sau, Leonardo da Vinci đưa ra những nhận định định lượng đầu tiên về nước trong tự nhiên; sự phát triển của thủy văn định lượng tiếp tục được mở rộng trong thế kỷ XVIII với các công trình của Castelli, Mariotte và Father François.

Từ những bước khởi đầu còn khiêm tốn đó đến các kỹ thuật tinh vi hiện nay là cả một quá trình dài của sự phát triển và cải tiến. Ngày nay, mặc dù các nguyên lý cơ bản và khung khái niệm chính của thủy văn đã được chấp nhận rộng rãi, lĩnh vực này vẫn chịu ảnh hưởng bởi sự thay đổi và cách diễn giải khác nhau tại từng địa phương, tạo ra những khác biệt đáng kể giữa các quốc gia. Một trong những mục tiêu của Bản tin này là nhấn mạnh phần cốt lõi của tri thức chung mà giới chuyên môn đều thống nhất, đồng thời chỉ ra những khác biệt còn tồn tại.

Các kỹ thuật ngày càng được hoàn thiện cùng với sự tiến bộ của công nghệ ứng dụng đã mang lại những bước tiến quan trọng cho lĩnh vực thủy văn. Việc tự động hóa trong thu thập dữ liệu, nâng cao độ tin cậy của truyền dữ liệu, cũng như xử lý điện tử các chuỗi số liệu khổng lồ không chỉ giúp giảm bớt công việc lặp lại nặng nề của nhà thủy văn mà còn đẩy nhanh tiến trình phân tích định lượng. Những tiến bộ này góp phần nâng cao đáng kể chất lượng của tài liệu nền tảng – chẳng hạn các bảng số liệu thống kê và chuỗi quan trắc phản ánh thực tế dòng chảy sông ngòi – vốn là cơ sở để xây dựng các mô hình thủy văn.

Tuy nhiên, không nên cho rằng mọi cải tiến về hiệu suất trong xử lý dữ liệu đều đồng nghĩa với việc nâng cao chất lượng tính toán. Tương tự như trong nhiều lĩnh vực khác liên quan đến đập, độ chính xác của các ước tính lũ không phụ thuộc chủ yếu vào các 'phép tính' của những sự kiện cực đoan, mà vào kinh nghiệm và sự phán đoán chắc chắn, cân bằng của các chuyên gia. Một bộ xử lý điện tử có thể xử lý đồng thời hàng chục, thậm chí hàng trăm tham số và biến số… nhưng làm thế nào để những dữ liệu này được thu thập đầy đủ trong thực tế? Làm sao để đảm bảo chúng không bị sai lệch, các biến được mô hình hóa phản ánh đúng hiện tượng nghiên cứu, và các ước tính bù đắp cho sự thiếu hụt dữ liệu không làm suy giảm chất lượng phương pháp? Trong thực tiễn, một chút 'lẽ thường' nhiều khi mang lại giá trị hơn là việc tinh chỉnh quá mức các mô hình số.

Trên thực tế, số lượng nguồn bất định trong thủy văn lớn đến mức việc phân rã vô hạn hiện tượng thành các yếu tố ngày càng nhỏ nhờ các kỹ thuật tính toán hiện đại không nhất thiết mang lại cải thiện thuyết phục về chất lượng nghiên cứu. Cách tiếp cận này cũng không đáng tin cậy hơn so với những phương pháp đơn giản hơn, mang tính kinh nghiệm nhiều hơn, miễn là không bỏ sót các hiện tượng quan trọng và cân nhắc chúng một cách sáng suốt, nhất quán. Cuối cùng, chất lượng của một nghiên cứu phụ thuộc bản chất vào sự chặt chẽ trong lập luận hơn là vào số lượng vô tận những phép tính máy móc, dù chúng có được tối ưu hóa và tinh vi đến đâu.

Hơn nữa, cần lưu ý rằng thủy văn dựa trên những cơ sở khác biệt so với nhiều ngành khoa học khác, chẳng hạn như khoa học Trái đất, nơi mà – ít nhất về mặt lý thuyết – dữ liệu bổ sung có thể được thu thập bất cứ lúc nào khi cần. Ví dụ, chỉ cần tiến hành thêm các mũi khoan và đo đạc là có thể kiểm chứng một khía cạnh nào đó của đá nền. Ngược lại, nhà thủy văn thường hoàn toàn phụ thuộc vào dữ liệu đã được thu thập từ nhiều thập kỷ trước khi ông bắt đầu nghiên cứu một vấn đề cụ thể. Ông chỉ có thể tin tưởng rằng những người tiền nhiệm đã thực hiện công việc một cách chính xác, đồng thời chỉ kiểm chứng được một số khía cạnh chính trong các chuỗi số liệu có sẵn. Việc 'tạo ra' một trận lũ 50 năm, dĩ nhiên, nằm ngoài khả năng của ông.

Do vậy, chất lượng dữ liệu trở thành yếu tố then chốt để đảm bảo độ tin cậy cho các phân tích thủy văn. Tất nhiên, việc chờ đợi hàng thập kỷ chỉ để xác nhận tính chính xác của các số liệu lưu lượng đỉnh hàng năm là điều bất khả thi. Thay vào đó, giới nghiên cứu buộc phải chấp nhận sự tồn tại của sai số trong quá khứ và thừa nhận một mức độ bất định mang tính lịch sử – điều gần như chắc chắn và không hề nhỏ. Nhiệm vụ của nhà thủy văn, vì vậy, là phải nỗ lực tránh mắc thêm sai sót trên nền tảng vốn đã bất toàn đó.

Nội dung của Hướng dẫn

Chương 1 của Hướng dẫn trình bày tổng quan về các phương pháp ước tính lũ truyền thống. Nội dung đề cập đến những cách tiếp cận đã được công nhận và mô tả chúng một cách ngắn gọn, tập trung vào các đặc điểm thiết yếu thay vì đi sâu vào chi tiết. Mục tiêu của Bản tin không phải là tạo ra một bách khoa toàn thư, mà là cung cấp một công cụ thực tiễn hỗ trợ các chuyên gia trong công việc thường ngày. Vì vậy, chỉ những phương pháp được áp dụng rộng rãi nhất mới được giới thiệu. Các lý thuyết chính được phát triển từ cuối thế kỷ XIX và vẫn còn giá trị ứng dụng cũng được trình bày trong chương này.

Nhờ cấu trúc và nội dung hợp lý, chương 1 có thể được xem như một tài liệu tham khảo hữu ích cho các chuyên gia, mang đến cái nhìn cô đọng về những phương pháp và kỹ thuật thủy văn truyền thống quan trọng nhất. Các phương trình cơ bản, định nghĩa chính, đồ thị tham chiếu, sơ đồ dòng chảy và các giá trị điển hình của những tham số thủy văn then chốt đều được trình bày rõ ràng. Chương kết thúc bằng một số khuyến nghị nhằm giúp người mới bắt đầu – và thậm chí cả những chuyên gia giàu kinh nghiệm – tránh các sai lầm phổ biến. Danh mục tài liệu tham khảo bổ sung khuyến khích người đọc tiếp tục tìm hiểu sâu hơn.

Chương 2 tập trung vào vấn đề lũ lụt cực đoan và những cách tiếp cận mới nhằm đối phó với mức độ bất định lớn trong việc ước tính chúng. Một trận mưa cực đoan chắc chắn gây ra lũ lớn, nhưng liệu có hợp lý khi cho rằng mọi trận lũ cực đoan đều bắt nguồn từ một sự kiện mưa cực đoan? Chu kỳ lặp lại của một trận mưa liệu có trùng khớp hoàn toàn với chu kỳ lặp lại của trận lũ mà nó gây ra? Nếu sự khác biệt chỉ là vài năm trong ước tính của một sự kiện hiếm gặp thì không đáng lo, nhưng nếu chênh lệch này liên quan đến một trận lũ xảy ra thường xuyên hơn thì sao? Những câu hỏi như vậy còn làm nổi bật vai trò của tuyết, yếu tố có thể góp phần đáng kể vào các trận lũ lớn trong mùa tan băng ở các quốc gia phía Bắc.

Các bất định liên quan đến hầu hết các thông số của quá trình thủy văn ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng trong việc xác định biểu đồ lũ cũng như ước tính hậu quả của lũ. Một kỹ thuật mô phỏng dựa trên phương pháp ngẫu nhiên (stochastic approach) cho phép xử lý hiệu quả khó khăn này. Phương pháp này không chỉ giúp xác định chu kỳ lặp lại của lũ từ xác suất xảy ra của các sự kiện khí tượng, mà quan trọng hơn còn cho phép xây dựng hàm phân phối của các chỉ số lũ trong những tình huống cụ thể (ví dụ: mực nước hồ chứa cực đại, thời gian tràn, v.v.). Cách tiếp cận này dựa trên các công cụ số đặc biệt mạnh mẽ, cho phép tạo ra và xử lý khối lượng lớn các biến ngẫu nhiên, được thực hiện chủ yếu thông qua phương pháp Monte Carlo.

Một số khuyến nghị được đưa ra cho những độc giả quan tâm đến việc áp dụng các kỹ thuật này ở ranh giới tiên tiến của ngành thủy văn hiện đại. Danh mục tài liệu tham khảo phong phú cũng được cung cấp để những người quan tâm có thể nghiên cứu sâu hơn về phương pháp đầy hứa hẹn này.

Khác với hai chương trước, Chương 3 không chỉ tập trung vào thủy văn, mà còn nhấn mạnh đến mối quan hệ giữa lũ lụt và đập. Đây là nội dung có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, bởi nó tổng hợp thực tiễn hiện hành tại khoảng ba mươi quốc gia về các quy định an toàn đập liên quan đến lũ lụt. Việc ước tính chính xác các đặc trưng cơ bản của một sự kiện thủy văn cực đoan (như lưu lượng đỉnh, thời gian, thể tích, v.v.) là yếu tố then chốt trong thiết kế và quản lý an toàn công trình. 

Hiện nay, các phương pháp tiếp cận có thể được phân thành hai nhóm chính, với một số biến thể nhất định:

- Phương pháp đầu tiên là phương pháp gián tiếp: nó xem xét bản thân con đập và các đặc trưng của nó. Phương pháp này suy luận rủi ro tiềm tàng và xác định cường độ của trận lũ cần được kiểm soát.

- Phương pháp thứ hai là phương pháp trực tiếp: nó tính đến hậu quả của sự cố đập, tập trung vào những thiệt hại xảy ra ở khu vực hạ lưu đập.

Phần trình bày về các nguyên tắc được áp dụng tại nhiều quốc gia khác nhau được bổ sung bằng một ví dụ thực tế liên quan đến một đập và hồ chứa. Bài tập này nhằm xác định sự kiện quan trọng cần được coi là lũ thiết kế, được phân tích dựa trên ba mươi chỉ thị khác nhau. So sánh đơn giản này cho thấy rõ ràng rằng cho đến nay chưa tồn tại một học thuyết thống nhất, và phạm vi của các ước tính đưa ra vẫn còn khá rộng. Một số khuyến nghị cũng được đề xuất cho lĩnh vực này. Cuối cùng, danh mục tài liệu tham khảo – đặc biệt là về nguồn gốc của các chỉ thị quốc gia – được cung cấp để hoàn thiện nội dung của chương.

Kết luận

Hướng dẫn đã khép lại, nhưng vẫn còn nhiều câu hỏi chưa có lời giải dứt khoát. Ví dụ: nên lựa chọn phương pháp nào để ước tính cường độ của các trận lũ lớn? Một phương pháp thống kê dựa trên số liệu lưu lượng đo được trong sông, hay một phương pháp thống kê dựa trên lượng mưa? Nếu ưu tiên cách tiếp cận thứ hai, làm thế nào để bảo đảm rằng chu kỳ lặp lại của một sự kiện khí tượng được ước tính tương ứng với chu kỳ lặp lại của trận lũ mà nó tạo ra (xem Chương 2)? Và cuối cùng, cần xử lý ra sao nếu hai loại lũ (chẳng hạn lũ thiết kế và lũ kiểm tra), khi được xác định bằng các phương pháp khác nhau, lại không tạo thành một cặp đôi nhất quán?

Một vấn đề khác thường bị xem nhẹ nhưng thực chất rất quan trọng là lưu lượng cơ sở của sông tại thời điểm khởi phát một trận lũ. Lưu lượng ban đầu này có thể ảnh hưởng đáng kể đến cường độ đỉnh lũ. Trên thực tế, hai trận mưa giống hệt nhau rơi xuống cùng một lưu vực sẽ không tạo ra lưu lượng đỉnh hoàn toàn giống nhau nếu trạng thái ban đầu của tầng chứa nước và dòng chảy cơ sở trong sông khác nhau.

Ngoài ra, trong khi các nghiên cứu thường tập trung rất nhiều vào biểu đồ lũ – đặc biệt là lưu lượng đỉnh – thì tỷ lệ giữa tổng lượng mưa và tổng lượng lũ sinh ra lại ít được quan tâm. Việc cân bằng lại trọng tâm này chắc chắn sẽ mang lại lợi ích cho tính nhất quán của các ước tính thủy văn.

Một vấn đề cốt lõi xuyên suốt là bất định. Như đã trình bày, trong lĩnh vực các sự kiện hiếm gặp, bất định xuất hiện ở nhiều cấp độ. Một mặt, có những bất định "tự nhiên" gắn với các trận lũ đã quan sát được (cường độ, hình dạng biểu đồ lũ, tuyết tan, phản ứng lưu vực, yếu tố mùa, sai số đo đạc lưu lượng đỉnh, v.v.). Mặt khác, còn tồn tại bất định do bản thân các phép đo, và đặc biệt là bất định phát sinh từ ngoại suy thống kê khi ước tính cường độ các sự kiện cực đoan – khi phân phối áp dụng không hoàn toàn phù hợp với mẫu quan sát.

Sự kết hợp giữa biến động ngẫu nhiên của tự nhiên và sự thiếu chính xác về nhận thức (epistemic imprecision) trong quá trình ngoại suy dẫn tới một mức bất định rất lớn đối với việc xác định các sự kiện cực đoan. Khi đó, nhà thủy văn phải gánh vác một nhiệm vụ tinh tế: điều khiển “con thuyền khiêm tốn” của mình đi an toàn giữa “biển bất định đầy cạm bẫy”. Trong bối cảnh này, sự vững chắc và nhất quán của phương pháp tiếp cận phải được đặt lên trên ảo tưởng về độ chính xác tuyệt đối.

Khép lại, có lẽ thích hợp khi nhắc lại một lời khuyên gần hai trăm năm tuổi (*):
"Hãy đi, cuốn sách nhỏ, và chọn độc giả của mình; bởi trong thế giới của những bất định, kẻ tin tuyệt đối thì táo bạo, kẻ hoài nghi thì không sai, kẻ lao theo mù quáng thì lạc lối, và chỉ người biết cân bằng một cách đúng đắn mới là bậc thầy.

[Còn nữa, xem tiếp Bài 3- Chương I: Biểu đồ lũ]