Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng ngày càng gia tăng, hệ thống thủy lợi sông Đáy, đặc biệt là vùng Nghĩa Hưng, tỉnh Nam Định, đang đối mặt với thách thức nghiêm trọng về xâm nhập mặn ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp. Theo ước tính, diện tích đất nông nghiệp cần tưới tại Nghĩa Hưng khoảng 15.795 ha, trong đó nhu cầu nước tưới và rửa mặn lên tới hơn 20.000 m³/ngày trong các giai đoạn đổ ải và tưới dưỡng. Tuy nhiên, khả năng lấy nước hiện tại chỉ đáp ứng khoảng 11.754 m³/ngày, dẫn đến thiếu hụt gần 9.561 m³/ngày, tương đương lưu lượng thiếu trung bình 5,38 m³/s. Nghiên cứu nhằm xây dựng mô hình thủy lực và mô phỏng xâm nhập mặn theo kịch bản nước biển dâng đến năm 2030, đánh giá khả năng cấp nước và đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả cấp nước phục vụ sản xuất nông nghiệp cho hệ thống thủy lợi sông Đáy. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại huyện Nghĩa Hưng, tỉnh Nam Định, vùng chịu ảnh hưởng trực tiếp của triều và xâm nhập mặn, với dữ liệu thu thập từ năm 2018-2019. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ quản lý vận hành hệ thống thủy lợi, giảm thiểu thiệt hại do xâm nhập mặn, đồng thời góp phần phát triển kinh tế nông nghiệp bền vững vùng ven biển Đồng bằng sông Hồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy lực một chiều kết hợp mô phỏng xâm nhập mặn, trong đó hệ phương trình Saint-Venant là nền tảng cho mô hình thủy lực. Các mô hình toán học phổ biến được tham khảo gồm MIKE 11 (Đan Mạch), FWQA (Mỹ), SALFLOW (Hà Lan), ISIS (Anh) và EFDC (Mỹ). MIKE 11 được lựa chọn làm công cụ chính do tính linh hoạt, độ tin cậy cao và khả năng mô phỏng đồng thời dòng chảy, mực nước và chất lượng nước, đặc biệt là xâm nhập mặn. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Xâm nhập mặn: sự lan truyền của nước biển mặn vào hệ thống sông ngòi và kênh mương nội đồng, ảnh hưởng đến chất lượng nước tưới.
  • Mô hình thủy lực một chiều: mô phỏng dòng chảy và mực nước trên trục sông, giả định đồng nhất mặt cắt ngang.
  • Phương trình khuếch tán bình lưu (AD): mô phỏng sự lan truyền và phân tán nồng độ mặn trong dòng chảy.
  • Chế độ triều và mực nước biển dâng: ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng lấy nước và xâm nhập mặn trong hệ thống thủy lợi.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực đo mực nước, lưu lượng và độ mặn tại các trạm thủy văn trên sông Đáy và các cống đầu mối trong hệ thống thủy lợi Nghĩa Hưng giai đoạn 2018-2019. Cỡ mẫu bao gồm 96 mặt cắt ngang dọc tuyến sông với khoảng cách 2-4 km, cùng số liệu khí tượng thủy văn và lưu lượng hồ chứa thượng nguồn. Phương pháp chọn mẫu là lấy toàn bộ dữ liệu quan trắc có sẵn tại vùng nghiên cứu nhằm đảm bảo tính đại diện và độ chính xác. Phân tích sử dụng mô hình MIKE 11 kết hợp mô đun khuếch tán bình lưu để mô phỏng dòng chảy và xâm nhập mặn theo các kịch bản nước biển dâng đến năm 2030. Quá trình nghiên cứu gồm các bước: thiết lập mô hình, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình bằng chỉ số Nash-Sutcliffe (đạt khoảng 0,8-0,85), xây dựng kịch bản vận hành và đánh giá khả năng cấp nước. Thời gian nghiên cứu tập trung vào các giai đoạn đổ ải và tưới dưỡng trong vụ Đông Xuân, thời điểm có nhu cầu nước căng thẳng nhất và ảnh hưởng xâm nhập mặn rõ nét.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiếu hụt nguồn nước nghiêm trọng: Toàn hệ thống thủy nông Nghĩa Hưng cần thêm khoảng 7,77 m³/s trong giai đoạn ngả ải để đáp ứng nhu cầu tưới, trong khi khả năng lấy nước hiện tại chỉ đạt khoảng 11.754 m³/ngày, thiếu hụt gần 9.561 m³/ngày, tương đương 5,38 m³/s.
  2. Ảnh hưởng của xâm nhập mặn và nước biển dâng: Mô hình MIKE 11 cho thấy nước biển dâng làm tăng độ mặn và kéo dài thời gian duy trì mặn cao trong hệ thống, làm giảm khả năng lấy nước tại các cống đầu mối như Âm Sa, Quỹ Nhất. Độ mặn tại các cống đầu mối trong vụ Đông Xuân 2010 giảm so với năm trước nhưng vẫn ở mức cao (ví dụ: 21,4‰ tại Quỹ Nhất).
  3. Hiệu quả mô hình và kiểm định: Mô hình thủy lực và mô phỏng xâm nhập mặn đạt độ chính xác cao với chỉ số Nash từ 0,8 đến 0,85, sai số lệch đỉnh dưới 10%, cho phép dự báo chính xác diễn biến mực nước và độ mặn tại các vị trí quan trắc.
  4. Tình trạng xuống cấp công trình thủy lợi: Các công trình đầu mối và kênh mương bị bồi lắng, thu hẹp mặt cắt, nhiều công trình đã sử dụng trên 30 năm, không đáp ứng được lưu lượng thiết kế, làm giảm hiệu quả cấp nước và tăng nguy cơ úng ngập.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của tình trạng thiếu nước là do sự kết hợp giữa biến đổi khí hậu, nước biển dâng làm tăng xâm nhập mặn, cùng với hiện trạng công trình thủy lợi xuống cấp và lưu lượng nước thượng nguồn giảm. So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng gia tăng xâm nhập mặn tại các vùng cửa sông ven biển. Việc sử dụng mô hình MIKE 11 một chiều kết hợp mô đun khuếch tán bình lưu được đánh giá là phù hợp và hiệu quả trong điều kiện địa hình phức tạp của hệ thống sông Đáy. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh mực nước và lưu lượng tại các cống đầu mối, bảng tổng hợp nhu cầu và khả năng cấp nước theo từng tiểu lưu vực, giúp minh họa rõ ràng mức độ thiếu hụt và ảnh hưởng của xâm nhập mặn. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc hỗ trợ điều hành vận hành hệ thống thủy lợi, giảm thiểu thiệt hại do xâm nhập mặn và nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp vùng ven biển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp, cải tạo công trình thủy lợi đầu mối và kênh mương: Tăng khẩu độ cống, nạo vét kênh, sửa chữa các công trình xuống cấp nhằm nâng cao năng lực dẫn nước, giảm thất thoát và tăng khả năng lấy nước trong điều kiện xâm nhập mặn. Thời gian thực hiện: 3-5 năm, chủ thể: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Công ty KTCTTL Nghĩa Hưng.
  2. Áp dụng mô hình dự báo xâm nhập mặn thời gian thực: Sử dụng mô hình MIKE 11 để dự báo và cảnh báo sớm diễn biến mặn, hỗ trợ điều hành vận hành cống, hồ chứa và kế hoạch tưới tiêu hiệu quả. Thời gian triển khai: 1-2 năm, chủ thể: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Tổng cục Thủy lợi.
  3. Tăng cường quản lý và giám sát nguồn nước: Thiết lập hệ thống quan trắc mực nước, độ mặn tại các vị trí trọng yếu, phối hợp với cộng đồng nông dân để điều chỉnh thời gian lấy nước phù hợp, giảm thiểu ảnh hưởng xâm nhập mặn. Thời gian: liên tục, chủ thể: UBND huyện Nghĩa Hưng, các HTX nông nghiệp.
  4. Phát triển các giải pháp phi công trình: Khuyến khích áp dụng kỹ thuật tưới tiết kiệm nước, sử dụng giống cây trồng chịu mặn, cải tạo đất để giảm thiểu tác động của mặn, đồng thời nâng cao nhận thức cộng đồng về quản lý nguồn nước. Thời gian: 3 năm, chủ thể: Trung tâm Khuyến nông, các tổ chức nông dân.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý thủy lợi và nông nghiệp: Hỗ trợ xây dựng chính sách, quy trình vận hành hệ thống thủy lợi phù hợp với biến đổi khí hậu và xâm nhập mặn, nâng cao hiệu quả quản lý nguồn nước.
  2. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia thủy lợi: Cung cấp cơ sở khoa học, mô hình và dữ liệu thực tiễn để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về mô phỏng thủy lực và xâm nhập mặn.
  3. Hợp tác xã và nông dân vùng ven biển: Áp dụng các giải pháp kỹ thuật và quản lý nước hiệu quả, giảm thiểu thiệt hại do xâm nhập mặn, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp.
  4. Các tổ chức phát triển và dự án quốc tế: Tham khảo để thiết kế các chương trình hỗ trợ thích ứng biến đổi khí hậu, phát triển bền vững nông nghiệp vùng ven biển, đồng thời đánh giá hiệu quả các can thiệp kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xâm nhập mặn ảnh hưởng thế nào đến sản xuất nông nghiệp vùng sông Đáy?
    Xâm nhập mặn làm tăng độ mặn trong nước tưới, ảnh hưởng đến sinh trưởng cây trồng, đặc biệt là lúa và thủy sản, gây giảm năng suất và chất lượng sản phẩm. Ví dụ, độ mặn trên 1‰ đã ảnh hưởng tiêu cực đến cây lúa trong vụ Đông Xuân.

  2. Mô hình MIKE 11 có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    MIKE 11 là mô hình thủy lực một chiều có khả năng mô phỏng chính xác dòng chảy, mực nước và chất lượng nước, phù hợp với hệ thống sông phức tạp như sông Đáy. Mô hình đã được hiệu chỉnh với chỉ số Nash đạt 0,8-0,85, cho kết quả tin cậy.

  3. Giải pháp công trình nào được ưu tiên nâng cấp?
    Các cống đầu mối như Âm Sa, Quỹ Nhất, Bình Hải có vai trò quan trọng trong lấy nước tưới, cần nâng cấp khẩu độ, sửa chữa hư hỏng để tăng khả năng lấy nước và giảm thất thoát.

  4. Làm thế nào để dự báo xâm nhập mặn hiệu quả?
    Sử dụng mô hình dự báo thời gian thực kết hợp dữ liệu quan trắc mực nước, độ mặn, khí tượng thủy văn để cảnh báo sớm, giúp điều hành vận hành công trình thủy lợi linh hoạt, giảm thiểu thiệt hại.

  5. Các biện pháp phi công trình nào hỗ trợ giảm thiểu xâm nhập mặn?
    Áp dụng kỹ thuật tưới tiết kiệm, sử dụng giống cây trồng chịu mặn, cải tạo đất, đồng thời nâng cao nhận thức cộng đồng về quản lý nước và bảo vệ môi trường, góp phần giảm thiểu tác động xâm nhập mặn.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xây dựng và hiệu chỉnh thành công mô hình MIKE 11 mô phỏng dòng chảy và xâm nhập mặn cho hệ thống thủy lợi sông Đáy, đạt độ chính xác cao với chỉ số Nash trên 0,8.
  • Kịch bản nước biển dâng đến năm 2030 dự báo tăng cường xâm nhập mặn, làm giảm khả năng lấy nước và tăng nhu cầu nước tưới, đặc biệt tại các cống đầu mối như Âm Sa, Quỹ Nhất.
  • Hiện trạng công trình thủy lợi xuống cấp, bồi lắng kênh mương và hạn chế về khẩu độ cống là nguyên nhân chính làm giảm hiệu quả cấp nước.
  • Đề xuất các giải pháp công trình và phi công trình nhằm nâng cao năng lực cấp nước, áp dụng mô hình dự báo thời gian thực và tăng cường quản lý nguồn nước.
  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng mô hình, cập nhật dữ liệu quan trắc và triển khai các giải pháp trong vòng 3-5 năm tới để đảm bảo phát triển bền vững sản xuất nông nghiệp vùng ven biển Đồng bằng sông Hồng.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và đơn vị liên quan cần phối hợp triển khai nâng cấp công trình, áp dụng mô hình dự báo và tăng cường giám sát để ứng phó hiệu quả với biến đổi khí hậu và xâm nhập mặn.