Tổng quan nghiên cứu

Khu vực 5 xã phía Nam huyện Bình Giang, tỉnh Hải Dương bao gồm các xã Cổ Bì, Nhân Quyền, Bình Xuyên, Thái Học và Bình Minh có tổng diện tích tự nhiên 3.870 ha, trong đó lưu vực tiêu trũng thấp trọng điểm chiếm 2.340 ha. Hệ thống tiêu thoát nước tại đây đang đối mặt với tình trạng quá tải nghiêm trọng khi diện tích ngập úng thường xuyên hàng năm lên tới 1.555 ha, chiếm từ 58% đến 67% tổng diện tích lưu vực và chiếm 50% tổng diện tích úng ngập của toàn huyện Bình Giang. Sự cố úng ngập cục bộ kéo dài làm suy giảm năng suất lúa vụ mùa xuống chỉ còn 50 đến 53 tạ/ha, thấp hơn đáng kể so với mức bình quân 67 đến 70 tạ/ha của các địa phương lân cận, đồng thời gây thất thoát lớn về nuôi trồng thủy sản và ô nhiễm môi trường dân sinh.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá định lượng tác động kép từ quá trình đô thị hóa nhanh chóng và các hiện tượng thời tiết cực đoan do biến đổi khí hậu đến khả năng tiêu thoát nước của hệ thống thủy lợi khu vực. Nghiên cứu thực hiện mô hình hóa chi tiết mạng lưới tiêu hiện trạng, tính toán dự báo nhu cầu tiêu thoát nước cho giai đoạn hiện tại và tầm nhìn 2046 - 2065, từ đó đề xuất các giải pháp công trình và phi công trình tối ưu nhằm xóa bỏ hoàn toàn diện tích ngập úng tại tần suất thiết kế 10%, bảo vệ an toàn cho sản xuất nông nghiệp và đời sống của hơn 35.360 người dân trong vùng dự án.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cân bằng nước mặt ruộng và nguyên lý thủy lực dòng chảy không ổn định trong hệ thống kênh hở. Đối với đất canh tác lúa nước, phương trình cân bằng nước mặt ruộng được thiết lập dựa trên mối quan hệ giữa lượng mưa thực tế, tổn thất do ngấm và bốc hơi với mức 5 mm/ngày, lớp nước tiêu tháo qua công trình đập tràn ở chế độ chảy tự do hoặc chảy ngập và chiều sâu lớp nước cho phép duy trì trên mặt ruộng theo từng thời kỳ sinh trưởng của cây lúa. Chiều rộng ngưỡng tràn mặt ruộng tính toán được chuẩn hóa ở mức 0,41 m/ha.

Đối với diện tích đất phi nông nghiệp, đất đô thị, hạ tầng giao thông và làng nghề, lý thuyết tính toán tiêu nhanh theo giờ được áp dụng thông qua hệ số dòng chảy mặt C dao động từ 0,30 đến 0,90 tùy thuộc vào đặc tính mặt phủ. Nghiên cứu đồng thời tích hợp Kịch bản Biến đổi khí hậu và Nước biển dâng của Bộ Tài nguyên và Môi trường theo kịch bản phát thải trung bình RCP4.5 nhằm xác định các đại lượng mưa cực trị thời đoạn ngắn 1 ngày và 5 ngày tương ứng với tần suất thiết kế P = 10%. Các khái niệm trọng tâm bao gồm hệ số tiêu thiết kế q (l/s/ha), dung tích trữ điều hòa lưu vực, mực nước khống chế tiêu tự chảy và tổn thất cột nước cục bộ qua công trình.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn số liệu khí tượng quan trắc 61 năm liên tục từ năm 1958 đến năm 2018 tại Trạm Khí tượng Hải Dương, kết hợp hồ sơ đo đạc địa hình mặt cắt của 7,776 km tuyến kênh tiêu chính và 14,34 km thuộc 13 tuyến kênh tiêu nhánh cấp 1 do Công ty Trách nhiệm hữu hạn Một thành viên Khai thác Công trình Thủy lợi Hải Dương quản lý. Cỡ mẫu nghiên cứu bao quát toàn bộ 17 công trình cầu cống vượt kênh, 13 tiểu lưu vực thủy lực và chuỗi số liệu ngập lụt thực tế các năm 2010 đến 2016 trên địa bàn 5 xã. Phương pháp chọn mẫu toàn phần theo ranh giới lưu vực khép kín được áp dụng nhằm phản ánh đầy đủ tính chất phân cắt không gian dòng chảy gây ra bởi tuyến đường cao tốc Hà Nội - Hải Phòng.

Nghiên cứu lựa chọn mô hình toán thủy lực SWMM (Storm Water Management Model) kết hợp phương pháp giải tích thống kê đường tần suất lý luận Pearson III (P-III). Mô hình SWMM được lựa chọn nhờ ưu thế vượt trội trong việc mô phỏng đồng thời mạng lưới dòng chảy mặt nông thôn xen kẽ đô thị, cho phép tính toán chính xác quá trình lan truyền sóng lũ và ngập lụt tại từng nút giao thủy lực. Độ tin cậy của mô hình được kiểm định nghiêm ngặt qua số liệu mực nước thực đo tại cống Hạ Bì và hạ lưu cống Ô Xuyên 2 với sai số tính toán luôn duy trì dưới 5%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, biến đổi khí hậu làm gia tăng đột biến các chỉ số mưa cực trị gây úng ngập. Theo kịch bản RCP4.5 trong giai đoạn 2046 - 2065, lượng mưa 1 ngày lớn nhất tăng từ 13% đến 20% và lượng mưa 5 ngày lớn nhất tăng từ 10% đến 20% tại khu vực Hải Dương. Sự gia tăng này đẩy lưu lượng tiêu thiết kế của toàn bộ lưu vực 5 xã tăng thêm từ 25% đến 38% so với giai đoạn cơ sở 1986 - 2015, khiến nhu cầu xả lũ vượt xa năng lực chịu tải của hệ thống thoát nước hiện hữu.

Thứ hai, tốc độ đô thị hóa nhanh chóng làm suy giảm nghiêm trọng hệ số trữ nước tự nhiên. Quá trình san lấp thùng ao, đầm trũng và bê tông hóa bề mặt làm tăng hệ số dòng chảy C từ mức bình quân 0,22 lên trên 0,45 tại các khu dân cư tập trung ven trục giao thông Tỉnh lộ 392 và đường cao tốc 5B. Trạm bơm Ô Xuyên 1 xây dựng từ năm 1999 với quy mô 10 tổ máy công suất 40.000 m3/h chỉ đáp ứng tiêu thoát cho 1.530 ha, khiến vùng diện tích 2.340 ha phụ thuộc hoàn toàn vào tự chảy bị ngập sâu kéo dài từ 5 đến 9 ngày mỗi khi xuất hiện mưa trên 180 mm.

Thứ ba, hệ thống dẫn và tháo nước trục chính bị bồi lắng và nghẽn thủy lực nghiêm trọng. Toàn bộ 17 công trình cầu cống trên kênh chính đều có khẩu độ hẹp, gây tổn thất cột nước cục bộ từ 0,15 m đến 0,45 m. Tuyến kênh Bùi Xá - Ô Xuyên có cao trình đáy bị nâng cao từ (-0,50 m) lên (+0,68 m) do bùn cát bồi lắng và tình trạng lấn chiếm bờ kênh, làm giảm lưu lượng dòng chảy thiết kế từ 30% đến 50%.

Thảo luận kết quả

Tình trạng ngập lụt diện rộng tại 5 xã phía Nam huyện Bình Giang bắt nguồn từ sự kết hợp bất lợi giữa lượng mưa nội đồng tăng cao và mực nước sông Đĩnh Đào dâng cao. Khi lượng mưa vượt quá 100 mm, mực nước tại cống Bá Thủy thường xuyên vượt ngưỡng +2,50 m, cao hơn cao trình mặt ruộng trung bình (+1,80 m đến +2,00 m), làm triệt tiêu hoàn toàn khả năng tiêu tự chảy qua cống Ô Xuyên 2. Hiện tượng này hoàn toàn tương thích với các công trình nghiên cứu thủy nông tại lưu vực Nam Thái Bình và trạm bơm Đông Mỹ (Hà Nội), khẳng định rằng hình thức tiêu tự chảy không còn khả thi đối với các vùng trũng thuộc hệ thống Bắc Hưng Hải.

Toàn bộ diễn biến thủy lực được biểu diễn trực quan qua biểu đồ đường mặt nước lớn nhất trên kênh chính so với đường mực nước bờ kênh, sơ đồ ngập lụt tại các nút giao trong mô hình SWMM và bảng ma trận tính toán tổn thất cột nước qua từng cống qua đường. Kết quả mô phỏng cho thấy nếu không có sự can thiệp công trình động lực, mực nước trên kênh chính sẽ liên tục tràn bờ với độ sâu ngập từ 0,35 m đến 0,62 m trên suốt chiều dài 7,776 km kênh dẫn.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, xây dựng mới trạm bơm tiêu động lực Ô Xuyên 2 tại vị trí cống Ô Xuyên 2 ra sông Đĩnh Đào với quy mô lắp đặt các tổ máy bơm trục đứng hiện đại, tổng lưu lượng thiết kế đạt từ 32.000 đến 42.000 m3/h nhằm chủ động tiêu úng triệt để cho 2.340 ha lưu vực phía Nam, hoàn thành đưa vào vận hành trước mùa mưa bão năm 2026 do Ủy ban nhân dân tỉnh Hải Dương và Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn làm chủ đầu tư.

Thứ hai, triển khai cải tạo, mở rộng và nạo vét đồng bộ 7,776 km kênh chính Bùi Xá - Ô Xuyên và 14,34 km thuộc 13 tuyến kênh tiêu nhánh cấp 1 từ T0 đến T12, hạ thấp cao trình đáy kênh đạt từ (-0,50 m) đến (-1,05 m), mở rộng khẩu độ thoát nước tại 17 vị trí cầu cống sản xuất và cống tiêu ngầm qua đường cao tốc 5B nhằm đảm bảo năng lực dẫn dòng đạt 100% công suất thiết kế trước năm 2025.

Thứ ba, áp dụng các giải pháp phi công trình kết hợp phát triển đô thị sinh thái thông qua việc ban hành quy chế bảo vệ hành lang công trình thủy lợi, kiên quyết xử lý các hành vi san lấp lấn chiếm dòng chảy tại xã Cổ Bì và Nhân Quyền; đồng thời quy định tỷ lệ diện tích hồ điều hòa và mặt nước tối thiểu 10% đến 15% trong các đồ án quy hoạch khu dân cư mới giai đoạn 2025 - 2030 do Ủy ban nhân dân huyện Bình Giang phê duyệt.

Thứ tư, hoàn thiện quy trình quản lý vận hành liên hồ chứa và hệ thống giám sát mực nước tự động thời gian thực trên sông Đĩnh Đào, chủ động kích hoạt quy trình bơm gạn hạ thấp mực nước đệm trong hệ thống kênh trục trước khi mưa lớn xảy ra từ 12 đến 24 giờ, giao Công ty Trách nhiệm hữu hạn Một thành viên Khai thác Công trình Thủy lợi Hải Dương trực tiếp điều hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, các cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước và nông nghiệp như Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Chi cục Thủy lợi tỉnh Hải Dương có thể sử dụng kết quả nghiên cứu làm luận cứ khoa học trực tiếp để phê duyệt báo cáo khả thi dự án xây dựng trạm bơm Ô Xuyên 2 và điều chỉnh quy hoạch phòng chống thiên tai cấp huyện đến năm 2030.

Thứ hai, các đơn vị quản lý và khai thác công trình thủy lợi tại địa phương sử dụng các thông số thủy lực chi tiết về cao trình đáy kênh và khẩu độ cống để lập kế hoạch nạo vét định kỳ, nâng cao hiệu suất dẫn dòng trên 13 tuyến kênh nhánh cấp 1.

Thứ ba, các đơn vị tư vấn thiết kế hạ tầng đô thị và giao thông áp dụng bộ thông số hệ số dòng chảy C và phương pháp tính toán tiêu theo giờ để thiết kế hệ thống cống thoát nước đồng bộ cho các khu dân cư mới ven tuyến Tỉnh lộ 392 và đường 5B, hạn chế tối đa nguy cơ dồn ứ nước vào hệ thống thủy lợi nông nghiệp.

Thứ tư, các nhà khoa học, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Tài nguyên nước, Công trình Thủy lợi và Biến đổi khí hậu khai thác phương pháp luận tích hợp mô hình SWMM với kịch bản RCP4.5 để mở rộng nghiên cứu cho các lưu vực đồng bằng trũng thấp khác.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống tiêu thoát nước tại 5 xã phía Nam huyện Bình Giang gặp trở ngại lớn nhất ở khâu nào?

Trở ngại lớn nhất là sự phụ thuộc vào hình thức tiêu tự chảy ra sông Đĩnh Đào trong điều kiện mực nước sông ngoài thường xuyên duy trì trên mức +2,50 m khi có mưa bão. Tình trạng này làm tê liệt khả năng tháo nước tự nhiên, gây ngập úng trên diện tích 1.555 ha và kéo dài tới 9 ngày như đợt mưa 423 mm vào năm 2016.

Mô hình SWMM giải quyết những bài toán kỹ thuật nào trong luận văn?

Mô hình SWMM mô phỏng chính xác chế độ dòng chảy không ổn định dọc theo 7,776 km kênh chính và 17 công trình cầu cống. Mô hình giúp xác định các điểm nghẽn thủy lực, định lượng độ dâng mực nước tại từng nút và làm cơ sở kiểm tra tính khả thi của các phương án công suất trạm bơm mới.

Kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 tác động ra sao đến lưu lượng tiêu nước của khu vực?

Theo kịch bản RCP4.5, cường suất mưa cực trị thời đoạn 1 ngày và 5 ngày tại Hải Dương tăng từ 10% đến 20% vào giai đoạn 2046 - 2065. Điều này làm gia tăng lưu lượng nước cần tiêu của lưu vực thêm 25% đến 38%, đặt ra yêu cầu cấp thiết phải thay thế hình thức tiêu tự chảy bằng trạm bơm tiêu động lực.

Tuyến đường cao tốc Hà Nội - Hải Phòng tác động như thế nào đến chế độ dòng chảy khu vực?

Tuyến cao tốc 5B cắt ngang địa bàn các xã Cổ Bì, Nhân Quyền và Thái Học, chia lưu vực 2.340 ha thành hai khu vực thủy lực riêng biệt. Mặc dù có cống ngầm 3 cửa khẩu độ 4x3 m, công trình này làm thay đổi hướng tập trung dòng chảy và gia tăng tổn thất cột nước cục bộ khi vận hành tiêu úng.

Tại sao đề tài đề xuất xây mới trạm bơm Ô Xuyên 2 thay vì nâng cấp trạm bơm Ô Xuyên 1?

Trạm bơm Ô Xuyên 1 nằm cách xa trung tâm lưu vực trũng và chỉ được thiết kế cho 1.530 ha với hệ số tiêu thấp 4,75 l/s/ha. Vùng 2.340 ha còn lại có hướng dốc địa hình tự nhiên nghiêng dần về phía cống Ô Xuyên 2, do đó xây dựng trạm bơm mới tại đây là giải pháp tối ưu về mặt truyền dẫn thủy lực và hiệu quả kinh tế.

Kết luận

  • Đánh giá định lượng thực trạng ngập úng nghiêm trọng trên quy mô 1.555 ha tại 5 xã phía Nam huyện Bình Giang do năng lực công trình hiện hữu không đáp ứng yêu cầu.
  • Ứng dụng thành công mô hình thủy lực SWMM để mô phỏng mạng lưới tiêu phức tạp gồm 7,776 km kênh chính, 14,34 km kênh nhánh và 17 công trình cầu cống với độ chính xác cao.
  • Dự báo chi tiết sự gia tăng từ 25% đến 38% nhu cầu tiêu thoát nước dưới tác động cộng hưởng của kịch bản BĐKH RCP4.5 và tốc độ đô thị hóa giai đoạn 2046 - 2065.
  • Xác lập phương án kỹ thuật tối ưu xây dựng trạm bơm tiêu động lực Ô Xuyên 2 kết hợp cải tạo đồng bộ cao độ đáy kênh và mở rộng khẩu độ cống trục chính.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp quản lý vận hành thông minh và bảo vệ hành lang thoát lũ nhằm đảm bảo an toàn sinh kế bền vững cho vùng dự án.

Luận văn đóng góp nguồn cơ sở dữ liệu khoa học chuẩn xác, phục vụ đắc lực cho công tác quy hoạch, thiết kế và quản lý vận hành công trình thủy lợi thích ứng với biến đổi khí hậu tại tỉnh Hải Dương. Các cấp quản lý cần sớm xúc tiến lập dự án đầu tư xây dựng trạm bơm Ô Xuyên 2 trong giai đoạn 2024 - 2025 để đưa vào khai thác trước năm 2026. Độc giả quan tâm và các đơn vị nghiên cứu có thể tiếp tục trao đổi, chia sẻ và ứng dụng phương pháp luận của đề tài vào các lưu vực tương đồng trên phạm vi cả nước.