Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống sông Thái Bình hạ lưu là một vùng kinh tế trọng điểm nằm trong đồng bằng sông Hồng, bao gồm thành phố Hải Phòng và tỉnh Thái Bình. Theo báo cáo của Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Hải Phòng, hiện nay việc phân phối nước tại khu vực này đang diễn ra không hợp lý, gây ảnh hưởng tiêu cực đến các bên liên quan sử dụng nước hạ lưu. Vấn đề này càng trở nên nghiêm trọng khi lượng phù sa tích tụ từ năm 1960 làm thay đổi lòng sông, đồng thời xâm nhập mặn ngày càng gia tăng tại cửa sông. Mục tiêu nghiên cứu nhằm đánh giá tác động của các công trình điều tiết nước trên sông Thái Bình hạ lưu, từ đó đề xuất các giải pháp phân bổ và quản lý nước hiệu quả hơn.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào khu vực hạ lưu sông Thái Bình, đặc biệt là hai huyện Tiên Lãng và Vĩnh Bảo thuộc thành phố Hải Phòng, trong giai đoạn khảo sát dữ liệu từ năm 1996 đến 2007. Nghiên cứu sử dụng mô hình thủy động lực MIKE 11 để mô phỏng hiện trạng và dự báo sự thay đổi dòng chảy theo các kịch bản công trình điều tiết được đề xuất. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý tài nguyên nước bền vững, giảm thiểu xâm nhập mặn và cải thiện chất lượng nước phục vụ phát triển kinh tế - xã hội khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về quản lý tổng hợp tài nguyên nước và mô hình thủy động lực học. Mô hình MIKE 11, phát triển bởi Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI), được sử dụng để mô phỏng dòng chảy không ổn định trong hệ thống sông phức tạp. Mô hình này giải hệ phương trình Saint Venant gồm phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng, cho phép mô phỏng biến đổi mực nước và lưu lượng theo thời gian và không gian. Các khái niệm chính bao gồm: dòng chảy không ổn định, hệ số Manning, ảnh hưởng thủy triều, vận chuyển phù sa và xâm nhập mặn.

Ngoài ra, nghiên cứu còn áp dụng các chỉ số đánh giá hiệu quả mô hình như hệ số Nash-Sutcliffe (NSE) để kiểm định độ chính xác của mô hình thông qua so sánh dữ liệu quan trắc và mô phỏng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thủy văn, khí tượng, địa hình và mạng lưới sông từ các trạm quan trắc tại khu vực nghiên cứu trong các năm 1996, 2002, 2006 và 2007. Cỡ mẫu dữ liệu gồm 994 mặt cắt ngang sông, 20 trạm thủy văn và các số liệu về nhu cầu sử dụng nước cho nông nghiệp, thủy sản, công nghiệp và sinh hoạt.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng thủy động lực bằng phần mềm MIKE 11 với các bước: thiết lập mạng lưới sông, xác định điều kiện biên đầu nguồn và cuối nguồn, hiệu chỉnh tham số Manning bằng phương pháp thử và sai, hiệu chỉnh và xác nhận mô hình qua các sự kiện lũ và mùa khô. Thời gian nghiên cứu mô hình được thực hiện theo chu kỳ hàng tháng và theo mùa, nhằm phản ánh chính xác biến động dòng chảy và mực nước.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân phối dòng chảy không hợp lý: Dòng chảy tại hạ lưu sông Thái Bình bị phân bổ không đồng đều giữa các nhánh sông, đặc biệt là giữa sông Thái Bình và sông Vạn Úc. Lưu lượng nước tại sông Vạn Úc chiếm tỷ lệ lớn hơn, dẫn đến xói mòn lòng sông tại khu vực này, trong khi sông Thái Bình bị bồi lắng mạnh với độ sâu lòng sông chỉ từ 1 đến 2 mét.

  2. Ảnh hưởng của công trình điều tiết: Mô phỏng các kịch bản xây dựng công trình điều tiết cho thấy lưu lượng dòng chảy tại sông Thái Bình tăng lên đáng kể, trong khi lưu lượng tại sông Vạn Úc giảm. Ví dụ, sau khi xây dựng các công trình điều tiết, lưu lượng tại một số mặt cắt chính tăng khoảng 15-20%, góp phần giảm thiểu xâm nhập mặn và cải thiện nguồn nước cho nông nghiệp.

  3. Hiệu quả mô hình MIKE 11: Mô hình đạt hệ số Nash-Sutcliffe trên 0.7 tại hầu hết các trạm quan trắc, thể hiện độ chính xác cao trong việc mô phỏng mực nước và lưu lượng. Đặc biệt, mô hình tái hiện tốt các đỉnh lũ năm 1996 với sai số đỉnh lũ dưới 3%.

  4. Nhu cầu sử dụng nước tăng cao: Dự báo nhu cầu nước cho nông nghiệp, thủy sản, công nghiệp và sinh hoạt tại hai huyện Tiên Lãng và Vĩnh Bảo tăng khoảng 20-30% vào các năm 2020 và 2030, đòi hỏi phải có giải pháp quản lý và phân bổ nước hiệu quả hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự phân phối dòng chảy không hợp lý là do sự thay đổi địa hình lòng sông, phù sa tích tụ và tác động của thủy triều mạnh tại cửa sông. Việc xây dựng các công trình điều tiết giúp điều chỉnh dòng chảy, giảm thiểu xói mòn và bồi lắng, đồng thời hạn chế xâm nhập mặn, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về quản lý tài nguyên nước tại đồng bằng sông Hồng.

Kết quả mô hình MIKE 11 cho thấy đây là công cụ hiệu quả trong việc mô phỏng dòng chảy phức tạp của hệ thống sông đa nhánh, hỗ trợ tốt cho việc ra quyết định quản lý nước. So sánh với các nghiên cứu tương tự trong khu vực, mô hình này có độ chính xác cao hơn nhờ việc hiệu chỉnh tham số phù hợp với điều kiện địa phương.

Việc dự báo nhu cầu nước tăng cao nhấn mạnh tầm quan trọng của việc áp dụng các giải pháp quản lý tổng hợp, nhằm cân bằng lợi ích giữa các ngành sử dụng nước và bảo vệ môi trường. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh lưu lượng trước và sau công trình điều tiết, bảng thống kê nhu cầu nước theo từng ngành và bản đồ phân bố dòng chảy.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng và vận hành các công trình điều tiết hợp lý: Tăng lưu lượng dòng chảy tại sông Thái Bình và giảm lưu lượng tại sông Vạn Úc nhằm hạn chế xói mòn và bồi lắng, đồng thời ngăn chặn xâm nhập mặn. Thời gian thực hiện trong vòng 3-5 năm, do các cơ quan quản lý thủy lợi và địa phương chủ trì.

  2. Cải tiến hệ thống quản lý và vận hành thủy lợi: Áp dụng công nghệ giám sát tự động mực nước và chất lượng nước, nâng cao năng lực vận hành hệ thống thủy lợi hiện có. Mục tiêu giảm thiểu thất thoát nước và nâng cao hiệu quả sử dụng nước trong 2 năm tới, do các đơn vị quản lý thủy lợi thực hiện.

  3. Tăng cường công tác bảo trì, nạo vét kênh mương: Định kỳ nạo vét các kênh, sông bị bồi lắng để đảm bảo dòng chảy thông suốt, giảm thiểu ngập úng và xâm nhập mặn. Kế hoạch thực hiện hàng năm, do các đơn vị địa phương phối hợp với ngành nông nghiệp.

  4. Phát triển kế hoạch sử dụng nước tổng hợp: Xây dựng quy hoạch sử dụng nước cho các ngành nông nghiệp, thủy sản, công nghiệp và sinh hoạt dựa trên dự báo nhu cầu đến năm 2030, nhằm cân bằng nguồn nước và bảo vệ môi trường. Thời gian thực hiện trong 3 năm, do các cơ quan quản lý tài nguyên nước chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và thủy lợi: Hỗ trợ xây dựng chính sách, quy hoạch và vận hành các công trình thủy lợi, điều tiết dòng chảy phù hợp với điều kiện địa phương.

  2. Các nhà nghiên cứu và học giả trong lĩnh vực quản lý tài nguyên nước: Cung cấp dữ liệu, phương pháp mô hình và kết quả nghiên cứu phục vụ cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

  3. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực nông nghiệp và công nghiệp: Hiểu rõ về nguồn nước và các giải pháp quản lý để tối ưu hóa sản xuất, giảm thiểu rủi ro do thiếu nước hoặc xâm nhập mặn.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức phi chính phủ: Nâng cao nhận thức về tình trạng tài nguyên nước, tham gia vào các hoạt động bảo vệ và sử dụng nước bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình MIKE 11 có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
    MIKE 11 là mô hình thủy động lực một chiều, có khả năng mô phỏng dòng chảy không ổn định, vận chuyển phù sa và chất lượng nước trong hệ thống sông phức tạp. Mô hình này được đánh giá cao về độ chính xác và tính linh hoạt trong nhiều ứng dụng thực tế.

  2. Tại sao cần xây dựng các công trình điều tiết trên sông Thái Bình?
    Các công trình điều tiết giúp điều chỉnh lưu lượng dòng chảy, giảm thiểu xói mòn và bồi lắng, đồng thời hạn chế xâm nhập mặn, từ đó cải thiện nguồn nước phục vụ nông nghiệp và sinh hoạt.

  3. Nhu cầu sử dụng nước tại khu vực nghiên cứu có xu hướng như thế nào trong tương lai?
    Dự báo nhu cầu nước tăng khoảng 20-30% đến năm 2030 do phát triển kinh tế - xã hội, đặc biệt là trong nông nghiệp và công nghiệp, đòi hỏi quản lý nguồn nước hiệu quả hơn.

  4. Các yếu tố tự nhiên nào ảnh hưởng đến dòng chảy và chất lượng nước tại hạ lưu sông Thái Bình?
    Bao gồm phù sa tích tụ, xói mòn lòng sông, ảnh hưởng thủy triều mạnh từ biển Đông, biến đổi khí hậu và sự phân bố không đồng đều của lượng mưa theo mùa.

  5. Làm thế nào để đảm bảo mô hình mô phỏng đạt độ chính xác cao?
    Cần hiệu chỉnh tham số mô hình như hệ số Manning dựa trên dữ liệu quan trắc thực tế, sử dụng các sự kiện lũ và mùa khô để kiểm định, đồng thời áp dụng các chỉ số đánh giá như hệ số Nash-Sutcliffe.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã đánh giá thành công tác động của các công trình điều tiết đến dòng chảy và phân phối nước tại hạ lưu sông Thái Bình, góp phần giảm thiểu xâm nhập mặn và cải thiện nguồn nước.
  • Mô hình MIKE 11 được hiệu chỉnh và xác nhận với độ chính xác cao, là công cụ hữu hiệu cho quản lý tài nguyên nước khu vực.
  • Nhu cầu sử dụng nước dự báo tăng mạnh đến năm 2030, đòi hỏi các giải pháp quản lý tổng hợp và bền vững.
  • Đề xuất các giải pháp xây dựng công trình điều tiết, cải tiến quản lý thủy lợi, bảo trì hệ thống kênh mương và quy hoạch sử dụng nước tổng hợp.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai các giải pháp đề xuất, giám sát hiệu quả và nghiên cứu mở rộng phạm vi mô hình cho toàn bộ lưu vực sông.

Hành động ngay hôm nay: Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai các giải pháp điều tiết và quản lý nước nhằm bảo vệ nguồn tài nguyên quý giá này cho sự phát triển bền vững của vùng đồng bằng sông Hồng.