Tổng quan nghiên cứu

Biến đổi khí hậu (BĐKH) đang là thách thức toàn cầu với những tác động sâu rộng đến môi trường và đời sống con người. Tại Việt Nam, nhiệt độ trung bình năm đã tăng khoảng 0,5°C trong 50 năm qua, trong khi lượng mưa có xu hướng giảm ở phía Bắc và tăng ở phía Nam. Đặc biệt, các hiện tượng thời tiết cực đoan như mưa lớn, bão và nước biển dâng ngày càng gia tăng, gây áp lực lớn lên hệ thống thủy lợi và tiêu thoát nước. Hệ thống tiêu trạm bơm Thạc Quả, huyện Đông Anh, Hà Nội, phục vụ cho khoảng 1.100 ha đất, trong đó có 870 ha đất nông nghiệp và 230 ha đất thổ cư, đang đối mặt với nhiều thách thức do sự xuống cấp của công trình và biến đổi nhu cầu tiêu nước do BĐKH và đô thị hóa.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến nhu cầu tiêu nước của hệ thống tiêu Thạc Quả và đề xuất các giải pháp nâng cấp hệ thống nhằm đáp ứng hiệu quả nhu cầu tiêu thoát nước trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Nghiên cứu tập trung vào phân tích các kịch bản mưa thiết kế cho các thời kỳ 1980-1999, 2030 và 2050, đồng thời mô phỏng khả năng làm việc của hệ thống tiêu hiện tại và đề xuất phương án cải tạo phù hợp. Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ lưu vực tiêu trạm bơm Thạc Quả, thuộc huyện Đông Anh, Hà Nội, với dữ liệu khí tượng thủy văn từ trạm Đông Anh và các số liệu thực địa liên quan.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước, giảm thiểu thiệt hại do ngập úng, đồng thời góp phần phát triển bền vững kinh tế - xã hội khu vực Đông Anh nói riêng và Hà Nội nói chung.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết biến đổi khí hậu và tác động đến tài nguyên nước: Cung cấp cơ sở về các yếu tố khí hậu như nhiệt độ, lượng mưa, nước biển dâng và tần suất bão, áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng đến hệ thống thủy lợi.
  • Mô hình mưa thiết kế và hệ số tiêu nước: Áp dụng phương pháp thống kê toán học để xác định lượng mưa thiết kế với tần suất 10%, từ đó tính toán hệ số tiêu nước cho các đối tượng tiêu trong lưu vực.
  • Mô hình SWMM (Storm Water Management Model): Mô phỏng dòng chảy và khả năng tiêu thoát nước của hệ thống tiêu trạm bơm Thạc Quả, đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống hiện tại và các phương án cải tạo.
  • Khái niệm hệ số đồng chảy và hệ số tiêu nước: Xác định lượng nước cần tiêu thoát trong một đơn vị thời gian dựa trên cân bằng nước giữa lượng nước đến và lượng nước đi.

Các khái niệm chính bao gồm: biến đổi khí hậu, lượng mưa thiết kế, hệ số tiêu nước, mô hình mưa điển hình, mô hình SWMM, và hệ số đồng chảy.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng số liệu mưa ngày từ trạm Đông Anh giai đoạn 1980-1999, dữ liệu khí tượng thủy văn cập nhật đến năm 2010, số liệu thực địa khảo sát hiện trạng hệ thống tiêu Thạc Quả, và các kịch bản biến đổi khí hậu Việt Nam năm 2012.
  • Phương pháp phân tích:
    • Tính toán lượng mưa thiết kế 5 ngày lớn nhất với tần suất 10% cho các thời kỳ 1980-1999, 2030 và 2050 dựa trên phương pháp thống kê toán học và phần mềm FFC 2008.
    • Xác định hệ số tiêu nước cho từng loại đất và đối tượng tiêu trong lưu vực theo TCVN 10406:2015.
    • Mô phỏng dòng chảy và mực nước trong hệ thống tiêu bằng mô hình SWMM để đánh giá khả năng tiêu thoát nước hiện tại và kiểm tra các phương án nâng cấp.
  • Timeline nghiên cứu: Thu thập và xử lý số liệu trong vòng 6 tháng, mô phỏng và phân tích trong 4 tháng tiếp theo, hoàn thiện đề xuất giải pháp trong 2 tháng cuối.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ lưu vực tiêu trạm bơm Thạc Quả với diện tích 1.100 ha, trong đó phân tích chi tiết các tiểu vùng tiêu nước có diện tích từ 80 ha trở lên. Phương pháp chọn mẫu dựa trên phân vùng tiêu và đặc điểm sử dụng đất trong lưu vực.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tăng lượng mưa thiết kế theo kịch bản biến đổi khí hậu: Lượng mưa 5 ngày lớn nhất với tần suất 10% tại trạm Đông Anh tăng từ 354,22 mm (1980-1999) lên khoảng 420 mm vào năm 2030 và 490 mm vào năm 2050, tương ứng mức tăng lần lượt khoảng 18% và 38%.
  2. Hệ số tiêu nước tăng theo thời gian: Hệ số tiêu nước tổng hợp cho lưu vực Thạc Quả tăng khoảng 15% vào năm 2030 và 30% vào năm 2050 so với giai đoạn nền, do sự gia tăng lượng mưa và thay đổi cơ cấu sử dụng đất, đặc biệt là sự mở rộng diện tích đất thổ cư và khu công nghiệp.
  3. Khả năng làm việc của hệ thống tiêu hiện tại giảm sút: Mô phỏng bằng SWMM cho thấy hệ thống tiêu hiện tại chỉ đáp ứng được khoảng 50% nhu cầu tiêu nước trong mùa mưa lớn, dẫn đến tình trạng ngập úng kéo dài và thiệt hại sản xuất nông nghiệp.
  4. Hiệu quả các phương án nâng cấp: Phương án nâng cấp trạm bơm với 6 máy bơm công suất lớn và cải tạo nạo vét kênh chính, kênh nhánh giúp tăng khả năng tiêu thoát nước lên trên 85%, giảm thiểu ngập úng trong mùa mưa.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng lượng mưa thiết kế và hệ số tiêu nước phản ánh rõ tác động của biến đổi khí hậu đến nhu cầu tiêu thoát nước trong lưu vực. Việc sử dụng mô hình mưa điển hình năm 1985 làm cơ sở xây dựng mô hình mưa thiết kế cho các thời kỳ tương lai giúp bảo đảm tính thực tiễn và phù hợp với điều kiện khí hậu địa phương. Kết quả mô phỏng SWMM minh họa rõ sự xuống cấp của hệ thống tiêu hiện tại, đặc biệt là các đoạn kênh bị bồi lắng, thu hẹp mặt cắt và công trình đầu mối hư hỏng, làm giảm hiệu quả tiêu thoát nước.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế cho thấy xu hướng tăng lượng mưa cực đoan và nhu cầu tiêu nước gia tăng là phổ biến ở các vùng đồng bằng chịu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. Việc đề xuất nâng cấp hệ thống tiêu Thạc Quả không chỉ phù hợp với yêu cầu kỹ thuật mà còn góp phần giảm thiểu thiệt hại kinh tế và nâng cao chất lượng cuộc sống người dân.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân phối lượng mưa thiết kế, bảng so sánh hệ số tiêu nước các thời kỳ, và biểu đồ mô phỏng mực nước trong kênh chính trước và sau nâng cấp, giúp minh họa trực quan hiệu quả của các giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp trạm bơm tiêu Thạc Quả: Lắp đặt 6 máy bơm công suất lớn HTD4000-6 để đáp ứng lưu lượng tiêu thoát nước tăng theo kịch bản biến đổi khí hậu, hoàn thành trong vòng 2 năm, do Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Hà Nội chủ trì.
  2. Nạo vét và cải tạo hệ thống kênh tiêu chính và kênh nhánh: Thực hiện nạo vét các tuyến kênh chính dài 4.258 m và 13 kênh nhánh cấp II, xử lý bồi lắng, thu hẹp mặt cắt, hoàn thành trong 3 năm, do Ban Quản lý dự án thủy lợi phối hợp với chính quyền địa phương thực hiện.
  3. Xây dựng hệ thống công trình điều tiết nước hiện đại: Thay thế các cống đầu kênh hư hỏng, xây dựng cầu máng kiên cố, đảm bảo an toàn giao thông và hiệu quả tiêu thoát nước, hoàn thành trong 2 năm, do đơn vị thi công chuyên ngành thủy lợi đảm nhận.
  4. Tăng cường quản lý và vận hành hệ thống tiêu nước: Đào tạo cán bộ vận hành, xây dựng quy trình vận hành phù hợp với kịch bản biến đổi khí hậu, triển khai thường xuyên từ năm 2024, do UBND huyện Đông Anh phối hợp với các đơn vị liên quan thực hiện.
  5. Theo dõi và cập nhật dữ liệu khí tượng thủy văn: Thiết lập hệ thống quan trắc tự động để cập nhật liên tục lượng mưa, mực nước, phục vụ điều chỉnh kế hoạch tiêu thoát nước kịp thời, triển khai trong 1 năm, do Trung tâm Khí tượng Thủy văn Hà Nội đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý thủy lợi và tài nguyên nước: Sử dụng kết quả nghiên cứu để lập kế hoạch nâng cấp hệ thống tiêu thoát nước, điều chỉnh quy hoạch phát triển vùng Đông Anh phù hợp với biến đổi khí hậu.
  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành thủy lợi, môi trường: Tham khảo phương pháp mô hình hóa mưa thiết kế, tính toán hệ số tiêu nước và ứng dụng mô hình SWMM trong nghiên cứu tác động biến đổi khí hậu.
  3. Chính quyền địa phương và các đơn vị phát triển đô thị: Áp dụng các giải pháp nâng cấp hệ thống tiêu nước để giảm thiểu ngập úng, bảo vệ sản xuất nông nghiệp và cải thiện điều kiện sống cho người dân.
  4. Các tổ chức quốc tế và nhà tài trợ: Đánh giá hiệu quả các dự án nâng cấp hệ thống thủy lợi trong bối cảnh biến đổi khí hậu, hỗ trợ tài chính và kỹ thuật cho các chương trình thích ứng tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Biến đổi khí hậu ảnh hưởng thế nào đến nhu cầu tiêu nước?
    Biến đổi khí hậu làm tăng lượng mưa cực đoan và tần suất bão, dẫn đến nhu cầu tiêu nước tăng cao để tránh ngập úng. Ví dụ, lượng mưa 5 ngày lớn nhất tại trạm Đông Anh dự báo tăng khoảng 38% vào năm 2050 so với giai đoạn 1980-1999.

  2. Tại sao chọn mô hình mưa điển hình năm 1985 để xây dựng mô hình mưa thiết kế?
    Năm 1985 có trận mưa 5 ngày lớn nhất với lượng mưa 348,7 mm, được đánh giá là mô hình mưa điển hình có dạng phân phối bất lợi, phù hợp để thiết kế công trình tiêu nước đảm bảo an toàn trong điều kiện thời tiết cực đoan.

  3. Hệ số tiêu nước là gì và cách tính như thế nào?
    Hệ số tiêu nước là lượng nước cần tiêu thoát trong một đơn vị thời gian để đảm bảo yêu cầu về nước trên diện tích. Được tính dựa trên cân bằng nước giữa lượng nước đến (mưa, nước thải) và lượng nước đi (tiêu thoát, tồn lưu), theo TCVN 10406:2015.

  4. Mô hình SWMM được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    SWMM mô phỏng dòng chảy và mực nước trong hệ thống tiêu, giúp đánh giá khả năng tiêu thoát nước hiện tại và kiểm tra hiệu quả các phương án nâng cấp, từ đó đề xuất giải pháp phù hợp.

  5. Giải pháp nâng cấp hệ thống tiêu nước có thể giảm thiểu ngập úng hiệu quả không?
    Theo mô phỏng, nâng cấp trạm bơm và cải tạo kênh tiêu có thể nâng khả năng tiêu thoát nước lên trên 85%, giảm thiểu ngập úng và thiệt hại sản xuất, góp phần phát triển kinh tế - xã hội bền vững.

Kết luận

  • Biến đổi khí hậu làm tăng lượng mưa cực đoan và nhu cầu tiêu nước tại lưu vực trạm bơm Thạc Quả, với lượng mưa 5 ngày lớn nhất dự báo tăng đến 38% vào năm 2050.
  • Hệ thống tiêu hiện tại đã xuống cấp nghiêm trọng, chỉ đáp ứng được khoảng 50% nhu cầu tiêu thoát nước trong mùa mưa lớn.
  • Mô hình SWMM cho thấy phương án nâng cấp trạm bơm và cải tạo kênh tiêu giúp tăng hiệu quả tiêu thoát nước lên trên 85%.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cấp kỹ thuật, quản lý vận hành và theo dõi dữ liệu khí tượng thủy văn để thích ứng hiệu quả với biến đổi khí hậu.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc quy hoạch, quản lý tài nguyên nước và phát triển bền vững khu vực Đông Anh, Hà Nội.

Next steps: Triển khai thực hiện các giải pháp nâng cấp trong vòng 2-3 năm tới, đồng thời thiết lập hệ thống quan trắc và cập nhật dữ liệu liên tục để điều chỉnh kế hoạch quản lý nước phù hợp.

Call-to-action: Các cơ quan quản lý, nhà nghiên cứu và cộng đồng địa phương cần phối hợp chặt chẽ để thực hiện các giải pháp đề xuất, góp phần ứng phó hiệu quả với biến đổi khí hậu và bảo vệ môi trường sống.