Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Tây Bắc Việt Nam sở hữu tiềm năng thủy điện dồi dào nhưng đang đứng trước thách thức lớn do biến đổi khí hậu toàn cầu. Sông Nậm Mức là sông nhánh cấp 1 trọng yếu ở bờ phải sông Đà với chiều dài 165 km, giữ vai trò huyết mạch cung cấp nguồn nước cho công trình thủy điện Nậm Mức có công suất 44 MW đi vào vận hành từ tháng 5 năm 2015. Trên thực tế, lưu vực sông Nậm Mức có địa hình núi cao hiểm trở, độ dốc lớn và phân bố địa chất đá vôi kaster xen kẽ sa diệp thạch. Điều này khiến cho quá trình xói mòn bề mặt diễn ra khốc liệt, đe dọa trực tiếp đến dung tích hữu ích và an toàn công trình hồ chứa.

Vấn đề nghiên cứu cốt lõi xuất phát từ thực trạng Việt Nam chưa có quy phạm đồng bộ hướng dẫn tính toán dòng chảy bùn cát vào hồ chứa. Các tính toán thiết kế trước đây thường ước tính bùn cát di đáy bằng 20% đến 40% bùn cát lơ lửng, dẫn đến sai số rất lớn so với quá trình vận hành thực tế. Mục tiêu cụ thể của luận văn là ứng dụng mô hình bán phân bố SWAT để định lượng tác động của biến đổi khí hậu đến động thái dòng chảy và tổng lượng bùn cát đổ về hồ thủy điện Nậm Mức.

Phạm vi không gian nghiên cứu bao trùm toàn bộ diện tích lưu vực tính từ thượng nguồn đến mặt cắt tuyến đập hồ Nậm Mức thuộc địa bàn tỉnh Điện Biên. Phạm vi thời gian nghiên cứu gồm thời kỳ nền 1986–2005 và các giai đoạn tương lai đến năm 2099 theo kịch bản biến đổi khí hậu cập nhật năm 2016 của Bộ Tài nguyên và Môi trường. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm thiểu từ 15% đến 30% nguy cơ bồi lấp dung tích chết và nâng cao tuổi thọ vận hành nhà máy phát điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp của các lý thuyết thủy văn bề mặt và cơ chế xói mòn thổ nhưỡng lưu vực sông. Trọng tâm là mô hình thủy văn SWAT (Soil and Water Assessment Tool) do Viện Nghiên cứu Nông nghiệp Hoa Kỳ phát triển. SWAT chia tách lưu vực thành các tiểu lưu vực và các đơn vị phản ứng thủy văn HRU đồng nhất về thổ nhưỡng, độ dốc và thảm phủ thực vật.

Khung lý thuyết vận hành dựa trên 5 khái niệm cốt lõi: đơn vị phản ứng thủy văn HRU, dòng chảy mặt, lượng thấm tích lũy, bốc thoát hơi tiềm năng và tải lượng bùn cát lơ lửng. Để mô phỏng dòng chảy mặt, mô hình áp dụng phương pháp chỉ số đường cong dòng chảy SCS-CN kết hợp cùng hàm thấm Green - Ampt (1911) nhằm phân định lượng mưa hiệu quả và lượng nước thấm vào các tầng đất. Quá trình bốc thoát hơi tiềm năng được xác định qua phương trình Penman - Monteith với đầy đủ các tham số bức xạ, tốc độ gió và độ ẩm không khí. Về cơ chế vận chuyển trầm tích, mô hình áp dụng phương trình mất đất phổ biến cải tiến MUSLE (Modified Universal Soil Loss Equation - Williams 1975). Phương trình này sử dụng trực tiếp động năng của dòng chảy mặt và lưu lượng đỉnh lũ để tính toán tổng lượng chất bồi lắng hàng ngày mà không phụ thuộc đơn thuần vào năng lượng mưa như công thức USLE truyền thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của đề tài có độ tin cậy cao và tính đại diện vượt trội. Dữ liệu không gian bao gồm mô hình độ cao số hóa DEM, bản đồ thổ nhưỡng và bản đồ sử dụng đất tỉnh Điện Biên (trong đó đất nông - lâm nghiệp chiếm 79,31%, đất chưa sử dụng chiếm 18,41% và độ che phủ rừng đạt 38,67%). Dữ liệu thuộc tính bao gồm chuỗi quan trắc lưu lượng dòng chảy thực đo liên tục 52 năm (1961–2012) và chuỗi bùn cát lơ lửng thực đo 20 năm (1993–2012) tại trạm thủy văn Nậm Mức.

Cỡ mẫu dữ liệu thủy văn 52 năm được phân tách thành hai giai đoạn độc lập: giai đoạn hiệu chỉnh mô hình (Calibration) và giai đoạn kiểm định (Validation). Phương pháp chọn mẫu áp dụng toàn bộ chuỗi số liệu đo đạc liên tục nhằm bảo đảm bao quát đầy đủ các chu kỳ năm nhiều nước, năm trung bình và năm ít nước.

Lý do lựa chọn phần mềm SWAT-CUP với thuật toán SUFI-2 là khả năng tối ưu hóa đồng thời nhiều tham số thủy lực phức tạp như hệ số đường cong CN2, hệ số dòng chảy cơ bản ALPHA_BF, độ trễ nước ngầm GW_DELAY và hệ số xói mòn đất USLE_K. Mức độ chính xác của kết quả mô phỏng được đánh giá nghiêm ngặt qua chỉ số hiệu quả Nash-Sutcliffe (NSE/NSI > 0,75) và độ lệch phần trăm PBIAS (dao động trong ngưỡng tiêu chuẩn ±15% đối với dòng chảy và ±25% đối với bùn cát). Dữ liệu khí tượng tương lai được chi tiết hóa động lực từ các kịch bản nồng độ khí nhà kính RCP4.5 và RCP8.5 cho ba giai đoạn: đầu thế kỷ (2016–2035), giữa thế kỷ (2046–2065) và cuối thế kỷ (2080–2099).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng thủy văn và bùn cát trên lưu vực sông Nậm Mức đã mang lại các phát hiện khoa học quan trọng:

  • Thứ nhất, dòng chảy thời kỳ nền (1986–2005) thể hiện tính phân mùa vô cùng sâu sắc. Dòng chảy mùa lũ từ tháng 5 đến tháng 10 chiếm tới 77% đến 78% tổng lượng dòng chảy cả năm, đạt đỉnh cực đại vào tháng 8 với lưu lượng trung bình nhiều năm lên tới 268,8 m3/s. Ngược lại, mùa kiệt từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau chỉ chiếm 22% đến 23% tổng lượng dòng chảy năm, giá trị thấp nhất rơi vào tháng 3 với mức 19,8 m3/s. Tổng lượng chất lơ lửng thực đo hàng năm dao động quanh ngưỡng 0,408 triệu tấn.

  • Thứ hai, nhiệt độ và lượng mưa trên lưu vực đều có xu thế tăng mạnh theo các kịch bản phát thải. Theo kịch bản RCP4.5, nhiệt độ trung bình năm tại Điện Biên tăng 1,7°C vào giữa thế kỷ và tăng 2,3°C vào cuối thế kỷ; lượng mưa năm tăng lần lượt 16,5% và 15,1%. Theo kịch bản RCP8.5, nhiệt độ tăng tới 3,9°C và lượng mưa năm tăng mạnh đến 21,2% vào cuối thế kỷ (2080–2099).

  • Thứ ba, tổng lượng dòng chảy trung bình năm đổ về hồ thủy điện Nậm Mức tăng tỷ lệ thuận với lượng mưa, với mức tăng dao động từ 6,5% đến 18,4% so với thời kỳ nền. Dòng chảy mùa lũ tăng từ 8,2% đến 21,6%, làm tăng đáng kể lưu lượng đỉnh lũ gia nhập lòng hồ. Trong khi đó, dòng chảy một số tháng mùa kiệt có xu hướng giảm nhẹ từ 3,2% đến 7,5% do ảnh hưởng của bốc thoát hơi tăng cao khi nhiệt độ không khí ấm lên.

  • Thứ tư, tổng lượng bùn cát gia nhập hồ chứa có mức gia tăng đột biến, vượt xa tỷ lệ tăng của dòng chảy. Dưới tác động của kịch bản RCP8.5 vào giai đoạn 2080–2099, lượng bùn cát mùa lũ tăng từ 20,5% đến hơn 35,8% so với thời kỳ cơ sở, tập trung cao nhất vào các đợt mưa rào cường độ mạnh trong tháng 7 và tháng 8.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi khiến bùn cát gia tăng đột biến là do cấu trúc địa hình lòng chảo, sườn dốc núi cao bị chia cắt mạnh dạng chữ V kết hợp cùng tầng canh tác mỏng trên đất dốc sa diệp thạch. Khi các hiện tượng thời tiết cực đoan xuất hiện với lượng mưa một ngày và năm ngày lớn nhất tăng từ 40% đến 70%, dòng chảy mặt sinh ra vượt ngưỡng cản của thảm phủ thực vật, thúc đẩy quá trình bóc mòn đất theo cấp số nhân như mô tả trong công thức MUSLE.

Kết quả này hoàn toàn tương thích với các công trình nghiên cứu trên hệ thống hồ chứa bậc thang sông Đà (hồ Lai Châu, Sơn La và Hòa Bình) do Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu thực hiện. Sự gia tăng dòng bùn cát sẽ rút ngắn đáng kể thời gian bồi lấp dung tích chết của hồ Nậm Mức so với tuổi thọ thiết kế 50 năm ban đầu.

Dữ liệu mô phỏng được biểu diễn trực quan qua biểu đồ đường biến thiên phân phối 12 tháng và bảng ma trận đối sánh tỷ lệ thay đổi lưu lượng nước và bùn cát giữa các thời kỳ 2016–2035, 2046–2065, 2080–2099 so với thời kỳ nền. Biểu đồ đường thể hiện rõ sự lệch pha đỉnh lũ khi mùa mưa có xu hướng bắt đầu sớm hơn và kết thúc muộn hơn, giúp các đơn vị quản lý dễ dàng nhận diện rủi ro bồi lắng.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu đến chế độ thủy văn và bồi lắng hồ thủy điện Nậm Mức, bốn nhóm giải pháp hành động được đề xuất:

  • Trồng mới và khoanh nuôi tái sinh 3.500 ha rừng phòng hộ đầu nguồn lưu vực Nậm Mức trong giai đoạn 2024–2030. Mục tiêu nâng tỷ lệ che phủ rừng toàn lưu vực từ mức 38,67% hiện nay lên trên 45%, giúp giảm thiểu từ 20% đến 25% lượng bùn cát bị xói mòn rửa trôi vào sông chính. Chủ thể thực hiện là Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Điện Biên phối hợp cùng Ủy ban nhân dân các huyện Mường Chà và Tủa Chùa.

  • Điều chỉnh và cập nhật quy trình vận hành liên hồ chứa theo thời gian thực trong giai đoạn 2025–2027. Cần chủ động hạ thấp mực nước hồ đón lũ trước các trận mưa lớn dự báo trên 100 mm/ngày và thực hiện xả cát đáy định kỳ đầu mùa lũ nhằm đẩy trôi từ 15% đến 20% lượng bùn cát hạt mịn ra khỏi khu vực trước cửa lấy nước phát điện. Chủ thể thực hiện là Công ty Cổ phần Thủy điện Nậm Mức phối hợp với Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia.

  • Xây dựng hệ thống 03 đến 05 đập dâng giữ bùn cát (check-dam) dạng rọ đá tại các chi lưu dốc lớn phía thượng nguồn trong giai đoạn 2026–2028. Giải pháp công trình này hướng đến mục tiêu giữ lại từ 30% đến 40% lượng bùn cát thô và đá lăn trước khi đổ vào lòng hồ chính. Chủ thể thực hiện là Chủ đầu tư nhà máy thủy điện Nậm Mức dưới sự thẩm định kỹ thuật của Sở Xây dựng và Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Điện Biên.

  • Lắp đặt bổ sung 04 trạm đo mưa tự động chuyên dùng và 02 thiết bị đo độ đục quang học tự động trước năm 2025. Hệ thống này cung cấp chuỗi dữ liệu thủy văn tức thời 15 phút/lần, nâng cao độ chính xác dự báo bồi lắng và cảnh báo lũ sớm lên trên 90%. Chủ thể thực hiện là Tổng cục Khí tượng Thủy văn phối hợp cùng các đơn vị quản lý vận hành hồ đập trên lưu vực sông Đà.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Kỹ sư vận hành và ban quản lý các nhà máy thủy điện: Vận dụng phương pháp tính toán dòng chảy đến và bùn cát gia nhập hồ để xây dựng kế hoạch xả cát định kỳ, bảo vệ tuabin máy phát 44 MW khỏi bị mài mòn cơ học và tối ưu hóa hiệu suất phát điện hàng năm.

  • Cán bộ quản lý tại các Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn: Sử dụng bản đồ phân vùng nguy cơ xói mòn và số liệu kịch bản khí hậu để tích hợp vào Quy hoạch tài nguyên nước cấp tỉnh cũng như Kế hoạch hành động ứng phó với biến đổi khí hậu giai đoạn 2021–2030 tầm nhìn 2050.

  • Các nhà khoa học, giảng viên và học viên sau đại học ngành Thủy văn học, Biến đổi khí hậu và Kỹ thuật tài nguyên nước: Tham khảo quy trình thiết lập mô hình bán phân bố SWAT, kỹ thuật hiệu chỉnh tự động qua SWAT-CUP với bộ chỉ số Nash-Sutcliffe chuẩn mực cùng phương pháp chi tiết hóa động lực kịch bản biến đổi khí hậu cho các lưu vực miền núi thiếu số liệu đo đạc.

  • Các đơn vị tư vấn thiết kế công trình thủy lợi - thủy điện: Ứng dụng phương trình mất đất MUSLE và các chỉ tiêu phân bố dòng chảy lũ để tính toán dung tích bồi lắng thực tế, từ đó xác định chính xác cao trình ngưỡng lấy nước và dung tích chết khi lập báo cáo nghiên cứu khả thi các dự án hồ chứa.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao mô hình SWAT lại vượt trội hơn các mô hình thủy văn truyền thống khi tính toán dòng chảy và bùn cát lưu vực Nậm Mức?
Mô hình SWAT là mô hình bán phân bố có khả năng chia tách lưu vực thành các tiểu lưu vực và đơn vị phản ứng thủy văn HRU dựa trên bản đồ DEM, thổ nhưỡng và sử dụng đất (chiếm 79,31% diện tích nông lâm nghiệp). Điểm vượt trội là mô hình tích hợp đồng thời phương pháp SCS-CN, hàm thấm Green - Ampt và phương trình mất đất MUSLE, đi kèm công cụ hiệu chỉnh tự động SWAT-CUP giúp kiểm soát sai số PBIAS trong ngưỡng ±15%.

Biến đổi khí hậu làm thay đổi lượng mưa và dòng chảy cực đoan tại lưu vực sông Nậm Mức như thế nào?
Theo kịch bản RCP8.5 cập nhật năm 2016, lượng mưa năm tại tỉnh Điện Biên có xu thế tăng tới 21,2% vào cuối thế kỷ 21, trong đó lượng mưa 1 ngày và 5 ngày lớn nhất tăng từ 40% đến 70%. Sự gia tăng tập trung này khiến dòng chảy đỉnh lũ mùa mưa (tháng 5-10) tăng mạnh từ 8,2% đến 21,6%, đẩy lưu lượng nước lớn nhất vượt mức 460 m3/s, làm tăng áp lực ngập lụt hạ du.

Tác động của việc bùn cát gia tăng từ 20,5% đến 35,8% đối với công trình thủy điện Nậm Mức là gì?
Sự gia tăng bùn cát làm gia tăng tốc độ bồi lắng dung tích chết của lòng hồ, giảm dung tích hữu ích điều tiết nước phát điện. Nồng độ bùn cát lơ lửng cao vượt mức 252 g/m3 vào mùa lũ sẽ làm mài mòn nghiêm trọng cánh tuabin thủy lực, xói lở công trình xả lũ và gia tăng chi phí nạo vét định kỳ cho nhà máy thủy điện 44 MW.

Làm thế nào để phân biệt sự khác nhau giữa kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 và RCP8.5 trong nghiên cứu này?
Kịch bản trung bình RCP4.5 giả định mức phát thải khí nhà kính được kiểm soát, nhiệt độ tăng 2,3°C và lượng mưa tăng 15,1% vào cuối thế kỷ 21, dẫn đến dòng chảy tăng khoảng 11,2%. Ngược lại, kịch bản cao RCP8.5 đại diện cho mức phát thải cao, nhiệt độ tăng tới 3,9°C và lượng mưa tăng 21,2%, làm tổng lượng bùn cát mùa lũ gia tăng hơn 35,8% so với thời kỳ nền 1986–2005.

Kết quả nghiên cứu của luận văn có thể chuyển giao áp dụng cho các công trình thủy điện khác ở vùng Tây Bắc không?
Hoàn toàn có thể áp dụng rộng rãi. Lưu vực sông Nậm Mức có đặc trưng điển hình của vùng núi Tây Bắc về độ dốc, địa chất đá vôi kaster và chế độ mưa gió mùa. Quy trình mô phỏng SWAT và bộ thông số thủy lực đã kiểm định đạt chỉ số NSE > 0,75 là khung tham chiếu chuẩn cho các lưu vực lân cận như suối Nậm Pay, suối Nậm Ty hay sông Nậm Pồ.

Kết luận

  • Ứng dụng thành công mô hình bán phân bố SWAT và công cụ SWAT-CUP để mô phỏng chính xác chế độ dòng chảy và bùn cát lưu vực sông Nậm Mức với chỉ số Nash-Sutcliffe đạt trên 0,75.
  • Xác định quy luật phân mùa sâu sắc thời kỳ nền 1986–2005 với mùa lũ chiếm 77% đến 78% tổng lượng nước và đóng góp trên 85% tổng lượng bùn cát cả năm.
  • Định lượng chi tiết mức tăng nhiệt độ (lên tới 3,9°C) và lượng mưa (lên tới 21,2%) theo các kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 và RCP8.5 đến cuối thế kỷ 21.
  • Dự báo sự gia tăng dòng chảy năm từ 6,5% đến 18,4% và tải lượng bùn cát mùa lũ tăng từ 20,5% đến 35,8%, cảnh báo nguy cơ suy giảm tuổi thọ hồ chứa thủy điện Nậm Mức 44 MW.
  • Kiến nghị đồng bộ 4 nhóm giải pháp công trình và phi công trình, trọng tâm là nâng độ che phủ rừng lên trên 45% (3.500 ha) và hiệu chỉnh quy trình xả cát định kỳ trong giai đoạn 2024–2030.

Nghiên cứu mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng công nghệ mô hình hóa tiên tiến để quản lý an toàn đập và an ninh nguồn nước lưu vực sông miền núi. Quý cơ quan quản lý, doanh nghiệp năng lượng và các nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác, mở rộng mô hình thủy văn SWAT cho các công trình thủy điện trên toàn lưu vực sông Đà nhằm chủ động thích ứng với biến đổi khí hậu.