Tổng quan nghiên cứu

Trong hơn 50 năm qua, tác động của biến đổi khí hậu tại Việt Nam đã biểu hiện rõ nét qua sự gia tăng nhiệt độ trung bình từ 0,5 đến 0,7 độ C, mực nước biển dâng khoảng 0,2 m và sự xuất hiện dày đặc của các hiện tượng thời tiết cực đoan. Tỉnh Hà Tĩnh, với đặc thù địa lý thuộc khu vực Bắc Trung Bộ mang tính chất "chảo lửa túi mưa", thường xuyên gánh chịu các đợt hạn hán khốc liệt trong mùa khô và ngập úng diện rộng trong mùa mưa lũ. Trước sức ép đó, việc bảo đảm an ninh nguồn nước phục vụ dân sinh và phát triển kinh tế trở thành nhiệm vụ cấp bách hàng đầu.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Tài nguyên nước với đề tài "Đánh giá ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến khả năng cấp nước của hệ thống tưới hồ Kẻ Gỗ - Hà Tĩnh" tập trung giải quyết bài toán đánh giá toàn diện khả năng đáp ứng nguồn nước của công trình đại thủy nông trọng điểm này. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu bao gồm: lượng hóa nhu cầu dùng nước của các đối tượng sử dụng nước trong hiện tại và tương lai; tính toán cân bằng nước theo kịch bản biến đổi khí hậu phát thải trung bình B2 đến các mốc thời gian 2030, 2050 và 2070; từ đó đề xuất hệ thống giải pháp công trình và phi công trình nhằm nâng cao hiệu quả quản lý, vận hành hồ chứa.

Phạm vi không gian của nghiên cứu là toàn bộ hệ thống tưới hồ Kẻ Gỗ tại xã Cẩm Mỹ, huyện Cẩm Xuyên, tỉnh Hà Tĩnh với diện tích lưu vực 223 km2 và dung tích hồ chứa hàng trăm triệu mét khối nước. Phạm vi thời gian dựa trên chuỗi số liệu khí tượng thủy văn thực đo 53 năm (1957 - 2011) và chuỗi quan trắc mưa 12 năm (2000 - 2011). Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi trực tiếp đánh giá năng lực cấp nước tưới cho 21.136 ha đất canh tác và thủy sản, cung cấp nước sinh hoạt cho 363.673 người dân thuộc huyện Cẩm Xuyên, huyện Thạch Hà và thành phố Hà Tĩnh, đồng thời phục vụ 177,2 ha đất công nghiệp cùng ngành du lịch, chăn nuôi địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng vững chắc của hai lý thuyết chuyên ngành trọng tâm: lý thuyết cân bằng nước lưu vực và mặt ruộng dựa trên định luật bảo toàn vật chất, cùng lý thuyết biến đổi khí hậu và kịch bản phát thải khí nhà kính toàn cầu của Ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC). Nguyên lý cân bằng nước xác định rằng hiệu số giữa tổng lượng nước đến và lượng nước đi khỏi hệ thống trong một đơn vị thời gian bằng chính sự thay đổi lượng nước trữ trong lưu vực hoặc tầng đất canh tác.

Hệ thống mô hình nghiên cứu bao gồm:

  • Mô hình Tank thủy văn để khôi phục và mô phỏng dòng chảy đến hồ chứa từ dữ liệu mưa.
  • Phần mềm CROPWAT 8.0 do Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc (FAO) phát triển, ứng dụng phương trình chuẩn Penman-Monteith để tính toán bốc thoát hơi nước tham chiếu và chế độ tưới cho từng loại cây trồng.
  • Phần mềm thủy văn chuyên dụng TSTV-2002 hỗ trợ phân tích thống kê tần suất lượng mưa và dòng chảy thiết kế.

Các khái niệm then chốt được vận dụng xuyên suốt đề tài gồm:

  • Bốc thoát hơi nước chuẩn (ET0) và hệ số cây trồng (Kc).
  • Tần suất bảo đảm cấp nước thiết kế nông nghiệp P = 75%.
  • Kịch bản phát thải trung bình B2 do Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố năm 2012.
  • Hệ số dòng chảy lưu vực hồ Kẻ Gỗ với giá trị tính toán đạt 0,58.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của luận văn được thu thập đồng bộ và chuẩn hóa từ các trạm quan trắc quốc gia:

  • Chuỗi dòng chảy thực đo 53 năm (1957 - 2011) tại trạm Kẻ Gỗ.
  • Chuỗi số liệu khí tượng (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, độ bốc hơi) giai đoạn 1958 - 2006 tại trạm Hà Tĩnh và trạm Kim Cương.
  • Kịch bản biến đổi khí hậu của Bộ Tài nguyên và Môi trường cập nhật năm 2012.

Về phương pháp phân tích, tác giả lựa chọn phương pháp mô hình toán kết hợp phân tích thống kê xác suất:

  • Mô hình Tank được lựa chọn để khôi phục dòng chảy giai đoạn 1980 - 2011 nhờ khả năng thích ứng cao với lưu vực địa hình dốc miền Trung, cho chỉ số Nash-Sutcliffe đạt mức 86%, khẳng định độ tin cậy vượt trội.
  • Phương pháp giải tích tần suất Pearson loại III (P-III) qua phần mềm TSTV-2002 xác định dòng chảy thiết kế ứng với tần suất P = 75% đạt lưu lượng bình quân 10,67 m3/s (tổng lượng dòng chảy năm W = 336 triệu m3), chọn năm 1975 - 1976 làm năm đại biểu với hệ số thu phóng K = 1,033.
  • Phương pháp cân bằng nước mặt ruộng qua CROPWAT 8.0 được áp dụng trên quy mô 19.897 ha đất canh tác với cỡ mẫu đại diện gồm 4 loại cây trồng chủ lực (lúa vụ Đông Xuân, lúa vụ Hè Thu, cây lạc, cây khoai lang). Phương pháp này giúp mô phỏng chính xác nhu cầu nước thực tế theo từng giai đoạn sinh trưởng dựa trên chỉ tiêu cơ lý đất (độ rỗng 45%, hệ số ngấm ổn định 2 mm/ngày).

Timeline nghiên cứu được triển khai đồng bộ qua việc đối chiếu giữa thời kỳ cơ sở (1980 - 1999), thời kỳ hiện trạng (2000 - 2011) và các mốc dự báo tương lai 2030, 2050, 2070.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nhu cầu nước cho sản xuất nông nghiệp chiếm tỷ trọng chi phối tuyệt đối trong toàn hệ thống. Tính toán từ CROPWAT 8.0 chỉ ra rằng mức tưới của lúa vụ Đông Xuân là 569,0 mm (trong đó mức tưới làm đất M1 đạt 5.074,5 m3/ha), trong khi lúa vụ Hè Thu đòi hỏi mức tưới lên tới 712,8 mm do canh tác trong điều kiện nắng nóng gay gắt. Cây lạc vụ Xuân cần mức tưới 329,8 mm và cây khoai lang vụ Đông Xuân cần 70,7 mm. Tổng nhu cầu nước cây trồng phân bổ không đều, tập trung cao điểm vào các tháng 1, 4, 6 và 7.

Thứ hai, nhu cầu dùng nước của các ngành phi nông nghiệp đã được lượng hóa chi tiết:

  • Cấp nước sinh hoạt cho 363.673 người dân với tiêu chuẩn 100 lít/người/ngày đêm tiêu tốn khoảng 13,27 triệu m3/năm (bình quân 1,09 đến 1,13 triệu m3/tháng).
  • Chăn nuôi 180.934 con gia súc với định mức 60 lít/con/ngày đêm tiêu thụ khoảng 3,96 triệu m3/năm.
  • Nuôi trồng thủy sản quy mô 1.000 ha trong mùa kiệt (tháng 1 đến tháng 7) cần 2,20 triệu m3/năm.
  • 3 cụm công nghiệp tập trung với tổng diện tích 177,2 ha tiêu thụ 2,91 triệu m3/năm (định mức 45 m3/ha/ngày đêm).
  • Ngành du lịch phục vụ 406.960 lượt khách tiêu thụ khoảng 1,85 triệu m3/năm.

Thứ ba, ở điều kiện hiện trạng với tần suất cấp nước P = 75%, tổng lượng dòng chảy đến hồ đạt 336 triệu m3/năm. Trong khi đó, tổng lượng nước tưới xả thực tế trung bình cả năm giai đoạn 2003 - 2011 của hồ Kẻ Gỗ là 313,81 triệu m3. Cân bằng nước tổng thể năm cho thấy hệ thống vẫn có thặng dư, tuy nhiên xuất hiện tình trạng căng thẳng nguồn nước cục bộ vào các tháng 6 và 7 khi dòng chảy đến ở mức thấp nhất nhưng nhu cầu tưới lúa Hè Thu lại đạt đỉnh.

Thứ tư, dưới tác động của kịch bản biến đổi khí hậu B2, nhiệt độ trung bình tại Hà Tĩnh tăng lần lượt 0,9 độ C vào năm 2030; 1,8 độ C vào năm 2050 và 2,4 độ C vào năm 2070. Lượng mưa mùa xuân (tháng 3 đến tháng 5) giảm tương ứng 1,46% (năm 2030), 3,0% (năm 2050) và 4,2% (năm 2070). Sự kết hợp giữa nhiệt độ tăng và mưa mùa khô suy giảm khiến nhu cầu tưới toàn hệ thống tăng từ 6,5% đến 12,8% so với thời kỳ nền, làm trầm trọng thêm nguy cơ thiếu nước tưới trong tương lai.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản dẫn đến sự gia tăng áp lực cấp nước là do nhiệt độ tăng làm tăng cường độ bốc hơi mặt nước tự do và tăng mức bốc thoát hơi tiềm năng ET0 của cây trồng. Thêm vào đó, chế độ phân phối dòng chảy tự nhiên tại Hà Tĩnh rất khắc nghiệt: lượng dòng chảy mùa lũ (tháng 9 đến tháng 11) chiếm tới 60% đến 65% tổng dòng chảy năm (riêng tháng 9 và 10 chiếm 50%), trong khi dòng chảy các tháng mùa kiệt (tháng 2 đến tháng 4) chỉ chiếm từ 1% đến 2%. Khi biến đổi khí hậu làm mùa khô kéo dài cùng hiệu ứng gió Tây Nam thổi mạnh, hồ Kẻ Gỗ phải đối mặt với nguy cơ cạn kiệt dung tích phòng hạn.

So sánh với các công bố của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường, xu thế biến động nguồn nước tại hồ Kẻ Gỗ hoàn toàn trùng khớp với bức tranh chung của khu vực Bắc Trung Bộ: mùa mưa lũ đến muộn nhưng tập trung với cường độ cực đoan, mùa khô hạn kéo dài và gay gắt hơn.

Dữ liệu nghiên cứu được trình bày một cách trực quan thông qua hệ thống bảng cân bằng nước chi tiết 12 tháng và chuỗi biểu đồ cột so sánh sự thay đổi nhu cầu nước của từng loại cây trồng (lúa Đông Xuân, lúa Hè Thu, lạc, khoai) giữa các mốc thời gian 2030, 2050, 2070 so với thời kỳ nền. Biểu đồ đường phân phối dòng chảy và nhu cầu dùng nước thể hiện rõ nét khoảng cách thiếu hụt nguồn nước sâu sắc nhất vào tháng 6 và tháng 7 hàng năm.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả cấp nước và chủ động thích ứng với biến đổi khí hậu cho hệ thống tưới hồ Kẻ Gỗ, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp trọng tâm:

  1. Hiện đại hóa và kiên cố hóa hệ thống công trình kênh mương: Đẩy mạnh bê tông hóa toàn diện 17,2 km kênh chính, 104 km kênh cấp I và 118 km kênh cấp II nhằm giảm tỷ lệ thất thoát nước do thẩm thấu từ mức 30% đến 35% hiện nay xuống dưới 18%. Nâng cấp cửa lấy nước và gia cố đập chính dài 995 m, hoàn thành trước năm 2030 dưới sự chủ trì của Công ty Trách nhiệm Hữu hạn Một thành viên Thủy lợi Nam Hà Tĩnh và Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.
  2. Chuyển đổi cơ cấu cây trồng và điều chỉnh lịch mùa vụ: Điều chỉnh gieo cấy lúa vụ Hè Thu sớm hơn từ 10 đến 15 ngày để tận dụng mưa tiểu mãn tháng 5 và né tránh hạn nặng tháng 6, 7. Chuyển đổi khoảng 1.500 đến 2.000 ha đất trồng lúa kém hiệu quả sang trồng các loại cây trồng cạn có mức dùng nước thấp như lạc (329,8 mm) và rau màu, giúp tiết kiệm từ 40% đến 50% lượng nước tưới; do Ủy ban Nhân dân các huyện Cẩm Xuyên, Thạch Hà phối hợp chỉ đạo thực hiện giai đoạn 2024 - 2028.
  3. Áp dụng quy trình vận hành hồ chứa thông minh và kỹ thuật tưới tiết kiệm: Triển khai công nghệ tưới nông - lộ - phơi cho toàn bộ 19.897 ha lúa nước nhằm giảm 20% lượng nước yêu cầu mà vẫn đảm bảo năng suất. Xây dựng hệ thống quan trắc tự động SCADA và dự báo khí tượng thời gian thực để tối ưu hóa điều tiết dung tích hữu ích trên 300 triệu m3 của hồ Kẻ Gỗ; giao Sở Khoa học và Công nghệ cùng Ban Quản lý Đầu tư và Xây dựng Thủy lợi triển khai trong giai đoạn 2025 - 2030.
  4. Phục hồi và bảo vệ rừng phòng hộ đầu nguồn lưu vực: Tăng cường khoanh nuôi, trồng mới rừng trên diện tích lưu vực 223 km2, nâng độ che phủ rừng từ 38% lên trên 55% vào năm 2035 nhằm tăng khả năng giữ nước ngầm mùa kiệt, giảm xói mòn và bồi lắng lòng hồ; do Chi cục Kiểm lâm tỉnh Hà Tĩnh và Ban Quản lý Khu bảo tồn thiên nhiên Kẻ Gỗ phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách (Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Tĩnh, Cục Thủy lợi): Sử dụng làm luận cứ khoa học tin cậy để xây dựng quy hoạch tài nguyên nước dài hạn, phân bổ hạn ngạch cấp nước và ban hành chiến lược thích ứng biến đổi khí hậu cấp vùng đến năm 2050.
  2. Đơn vị quản lý khai thác công trình thủy lợi (Công ty Khai thác Thủy lợi Nam Hà Tĩnh và các công ty thủy nông miền Trung): Ứng dụng các bảng tính cân bằng nước, biểu đồ phân phối nhu cầu dùng nước 12 tháng để thiết lập quy trình điều tiết, xả nước tưới khoa học, cắt giảm lãng phí tài nguyên.
  3. Nhà khoa học, giảng viên và học viên chuyên ngành (Trường Đại học Thủy lợi, Viện Quy hoạch Thủy lợi, các viện nghiên cứu biến đổi khí hậu): Tham khảo phương pháp luận tích hợp mô hình Tank, công cụ CROPWAT 8.0 và phương pháp chi tiết hóa thống kê kịch bản B2 trong nghiên cứu thủy văn thủy nông ứng dụng.
  4. Chính quyền địa phương và hợp tác xã nông nghiệp (UBND huyện Cẩm Xuyên, Thạch Hà và TP Hà Tĩnh): Khai thác dữ liệu định mức nước theo vụ mùa để chỉ đạo cơ cấu lại mùa vụ, quy hoạch vùng sản xuất tập trung và vận động nông dân áp dụng kỹ thuật tưới tiết kiệm.

Câu hỏi thường gặp

Biến đổi khí hậu tác động cụ thể như thế nào đến nguồn nước hồ Kẻ Gỗ?

Theo kịch bản B2, nhiệt độ khu vực tăng từ 0,9 độ C (năm 2030) lên 2,4 độ C (năm 2070), trong khi lượng mưa mùa khô giảm từ 1,46% đến 4,2%. Điều này làm lượng bốc hơi bề mặt tăng cao và đẩy nhu cầu nước của cây trồng tăng từ 6,5% đến 12,8%, gây ra nguy cơ thiếu hụt nước nghiêm trọng trong các tháng cao điểm mùa kiệt.

Vì sao nghiên cứu lựa chọn kịch bản phát thải trung bình B2 để đánh giá?

Kịch bản B2 do Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành năm 2012 phản ánh sát thực tế xu thế phát triển kinh tế - xã hội toàn cầu và tiến trình giảm phát thải của Việt Nam. Kịch bản này có độ tin cậy khoa học cao, cung cấp các tham số chi tiết hóa phù hợp nhất cho việc lập quy hoạch công trình hạ tầng thủy lợi dài hạn.

Phương pháp nào được sử dụng để xác định nhu cầu nước của cây trồng?

Nghiên cứu ứng dụng phần mềm CROPWAT 8.0 của FAO kết hợp phương trình cân bằng nước mặt ruộng và phương pháp Penman-Monteith. Phương pháp tính toán chi tiết nhu cầu nước cho 4 loại cây trồng chính dựa trên chuỗi khí tượng trạm Hà Tĩnh, Kim Cương và đặc tính thổ nhưỡng đất canh tác với độ rỗng 45%.

Năng lực cấp nước hiện tại của hồ Kẻ Gỗ có đáp ứng đủ nhu cầu không?

Ở điều kiện hiện tại với tần suất P = 75%, tổng lượng dòng chảy đến hồ đạt 336 triệu m3/năm, đáp ứng đủ tổng nhu cầu xả hàng năm là 313,81 triệu m3. Tuy nhiên, do dòng chảy mùa khô chỉ chiếm dưới 15% tổng lượng năm, hồ vẫn bị thiếu hụt nguồn nước cục bộ vào tháng 6 và tháng 7 khi tưới dưỡng lúa Hè Thu.

Giải pháp công trình nào mang tính đột phá để chống thất thoát nước?

Giải pháp cấp thiết nhất là kiên cố hóa toàn bộ 17,2 km kênh chính và hơn 222 km kênh cấp I, cấp II thuộc hệ thống. Biện pháp này giúp giảm tỷ lệ rò rỉ, thấm ngấm từ trên 30% xuống dưới 18%, tiết kiệm hàng chục triệu mét khối nước quý giá phục vụ sản xuất mùa khô.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện hiện trạng hệ thống thủy nông hồ Kẻ Gỗ với lưu vực 223 km2, phục vụ tưới tiêu cho 21.136 ha đất canh tác và nuôi trồng thủy sản, đồng thời cấp nước sinh hoạt cho 363.673 dân cư.
  • Khôi phục thành công chuỗi dòng chảy 53 năm bằng mô hình Tank đạt chỉ số Nash 86% và xác định dòng chảy thiết kế tần suất P = 75% đạt 10,67 m3/s (tương đương 336 triệu m3/năm).
  • Lượng hóa chính xác nhu cầu nước của 4 loại cây trồng chủ lực qua phần mềm CROPWAT 8.0, trong đó lúa vụ Hè Thu cần mức tưới cao nhất là 712,8 mm và lúa Đông Xuân là 569,0 mm.
  • Chỉ rõ mức độ tác động của BĐKH theo kịch bản B2 làm tăng nhiệt độ thêm 2,4 độ C và giảm mưa mùa xuân 4,2% vào năm 2070, khiến nhu cầu tưới gia tăng tới 12,8%.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp công trình kiên cố hóa 239,2 km kênh mương kết hợp giải pháp phi công trình chuyển đổi 1.500 - 2.000 ha cây trồng cạn chịu hạn.

Đóng góp cốt lõi của đề tài là xây dựng bộ công cụ tính toán thủy nông chuẩn hóa, kết hợp chặt chẽ giữa mô hình thủy văn lưu vực và kịch bản biến đổi khí hậu địa phương, giải quyết hài hòa bài toán cân bằng nước đa mục tiêu.

Lộ trình triển khai tiếp theo cần tập trung hoàn thành nâng cấp mạng lưới kênh mương trước năm 2030 và đạt độ che phủ rừng phòng hộ 55% trước năm 2035. Các nhà quản lý và kỹ sư tài nguyên nước cần sớm ứng dụng các kết quả tính toán của luận văn vào thực tiễn quản lý điều tiết hồ Kẻ Gỗ nhằm bảo vệ nguồn tài nguyên nước quý giá trước thách thức biến đổi khí hậu toàn cầu.