Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Bưởi là phụ lưu cấp một quan trọng ở tả ngạn sông Mã, sở hữu tổng diện tích tự nhiên 1.731 km2 trải dài qua 5 huyện gồm Tân Lạc, Lạc Sơn, Yên Thủy thuộc tỉnh Hòa Bình và Thạch Thành, Vĩnh Lộc thuộc tỉnh Thanh Hóa. Với quy mô dân số ghi nhận năm 2012 đạt 409.756 người và 43.950,98 ha đất sản xuất nông nghiệp, lưu vực giữ vị trí chiến lược trong việc bảo đảm an ninh lương thực và thúc đẩy công nghiệp hóa khu vực Tây Bắc - Bắc Trung Bộ. Tuy nhiên, tình trạng suy giảm dòng chảy mùa kiệt diễn ra nghiêm trọng, đe dọa trực tiếp đến đời sống dân sinh và các mục tiêu kinh tế. Toàn vùng đã xây dựng 584 công trình thủy lợi nhưng năng lực thực tế mới chỉ đáp ứng được khoảng 48,8% diện tích cần tưới, khiến 2.706 ha trên tổng số 3.525 ha đất canh tác tại 6 xã phụ cận thuộc huyện Yên Thủy thường xuyên lâm vào cảnh khô hạn gay gắt.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là giải quyết mâu thuẫn giữa nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng của các ngành kinh tế với sự suy giảm nghiêm trọng của nguồn nước mặt trong mùa kiệt. Mục tiêu cụ thể của luận văn là tính toán cân bằng cung cầu nước theo các kịch bản phát triển, từ đó đề xuất hệ thống giải pháp công trình và phi công trình tối ưu nhằm khai thác hiệu quả nguồn nước phục vụ đa mục tiêu đến năm 2020. Nghiên cứu sử dụng chuỗi số liệu quan trắc khí tượng - thủy văn giai đoạn 1959-2010 kết hợp khảo sát thực địa hiện trạng kinh tế - xã hội đến năm 2012. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc cung cấp luận cứ khoa học để khôi phục năng lực cấp nước cho 23.276 ha diện tích thiết kế, chủ động nguồn nước phục vụ mở rộng 285 ha đất công nghiệp mới tại Thạch Thành và Vĩnh Lộc, đồng thời duy trì dòng chảy môi trường sinh thái hạ du.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết quy hoạch và quản lý tổng hợp tài nguyên nước theo lưu vực sông, kết hợp nguyên lý cân bằng nước nhiều thành phần và lý thuyết thủy động lực học dòng hở một chiều. Mô hình nghiên cứu vận dụng các chuẩn mực tính toán khí tượng thủy văn theo quy phạm ngành tài nguyên nước và khuyến nghị của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc. Khung phân tích tập trung vào các khái niệm then chốt gồm:

  1. Nhu cầu nước thực tế của cây trồng, được lượng hóa thông qua hệ số sinh lý cây trồng theo từng thời kỳ sinh trưởng kết hợp lượng bốc thoát hơi chuẩn.
  2. Dòng chảy kiệt thiết kế, xác định theo các tần suất tính toán với tần suất đảm bảo cấp nước cho nông nghiệp đạt 85% và cấp nước sinh hoạt, môi trường đạt 90% theo Quyết định số 1590/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ.
  3. Hệ số lợi dụng kênh mương, phản ánh mức độ hao hụt và hiệu quả truyền dẫn nước của các hệ thống thủy nông từ công trình đầu mối đến mặt ruộng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu khí tượng toàn diện thu thập từ 3 trạm đo mưa và 2 trạm khí tượng tiêu biểu gồm Lạc Sơn, Thạch Quảng và Yên Định với chuỗi quan trắc liên tục dài 51 năm từ 1959 đến 2010. Dữ liệu thủy văn được khai thác từ trạm Vụ Bản với diện tích khống chế 886 km2 trên dòng chính sông Bưởi và các trạm phụ cận như Kim Tân, Sòi. Phương pháp chọn mẫu dữ liệu được thực hiện theo nguyên tắc đại diện không gian và chuỗi thời gian đủ dài, thu thập toàn bộ niên giám thống kê của 93 xã phường trên địa bàn 5 huyện để phản ánh chính xác cơ cấu sử dụng đất và tập quán canh tác địa phương.

Lý do lựa chọn tổ hợp phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phần mềm CROPWAT phiên bản 7.0 tích hợp công thức Penman-Monteith được chọn để tính toán lượng bốc thoát hơi chuẩn, mưa hiệu quả và chế độ tưới cho từng loại cây trồng nhờ độ tin cậy vượt trội so với các công thức thực nghiệm đơn lẻ.
  • Mô hình thủy lực MIKE 11 được ứng dụng để mô phỏng chế độ dòng chảy không ổn định và diễn toán thủy lực mùa kiệt trên mạng lưới sông Mã - sông Bưởi, giúp giải quyết đặc thù dòng chảy đẩy triều ngược từ sông Mã vào hạ lưu sông Bưởi với lưu lượng từ 12 m3/s đến 13 m3/s.
  • Hệ thống thông tin địa lý MapInfo được ứng dụng để xây dựng bản đồ không gian và phân chia lưu vực thành 4 vùng thủy lợi độc lập, tạo cơ sở phân tích cân bằng nước chi tiết theo từng tiểu vùng địa lý.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán và mô phỏng cân bằng nước trên lưu vực sông Bưởi đã chỉ ra ba phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, tồn tại sự mất cân đối nghiêm trọng giữa năng lực thiết kế và hiệu quả khai thác thực tế của hạ tầng thủy lợi. Toàn lưu vực có 584 công trình gồm 320 hồ chứa, 192 đập dâng và 68 trạm bơm với tổng năng lực thiết kế tưới 23.276 ha, nhưng thực tế chỉ tưới được 17.418 ha, đạt 74,8% so với năng lực thiết kế và chỉ đáp ứng được 48,8% tổng diện tích đất canh tác cần tưới. Hệ số lợi dụng kênh mương thực tế chỉ đạt từ 0,50 đến 0,55, thấp hơn đáng kể so với hệ số thiết kế lý thuyết là 0,70 do hệ thống kênh nội đồng chưa được kiên cố hóa hoàn chỉnh.

Thứ hai, chế độ dòng chảy mặt phân bố không đều gay gắt giữa hai mùa. Dòng chảy mùa lũ chiếm từ 78% đến 85% tổng lượng nước cả năm, trong khi 5 tháng mùa kiệt chỉ đóng góp từ 15% đến 22%. Tại trạm thủy văn Vụ Bản, lưu lượng trung bình năm đạt 28,3 m3/s nhưng lưu lượng kiệt nhỏ nhất từng quan trắc được giảm sâu xuống mức 1,09 m3/s vào ngày 13 tháng 5 năm 1966, tương ứng mô số dòng chảy kiệt cực tiểu chỉ 1,35 l/s/km2.

Thứ ba, sự gia tăng nhanh chóng của nhu cầu nước phi nông nghiệp gây áp lực lớn lên cân bằng nước tương lai. Đến năm 2020, nhu cầu cấp nước sinh hoạt đô thị tăng từ 80 l/người/ngày lên 120 l/người/ngày, đồng thời các cụm công nghiệp mới như Khu công nghiệp Thạch Quảng quy mô 200 ha và Khu công nghiệp Vĩnh Lộc quy mô 85 ha sẽ làm gia tăng tổng lượng nước tiêu hao cục bộ tại vùng trung và hạ lưu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tình trạng thiếu nước nghiêm trọng bắt nguồn từ cấu tạo địa chất karst đá vôi chiếm tới 362 km2 trong tổng số 1.633 km2 diện tích lưu vực sông chính, khiến khả năng giữ nước mặt kém và dòng chảy kiệt suy giảm nhanh. Đồng thời, các công trình quy mô nhỏ ở miền núi chủ yếu do người dân tự xây dựng, thiếu quy hoạch đồng bộ nên thường xuyên bị bồi lắng và hư hỏng sau mùa lũ. So sánh với các nghiên cứu quy hoạch lưu vực sông Hồng thuộc chương trình KC-12, nơi nông nghiệp chiếm từ 66% đến 85% tổng lượng nước sử dụng, lưu vực sông Bưởi có tốc độ chuyển dịch cơ cấu sử dụng nước cho công nghiệp và sinh hoạt nhanh hơn, đòi hỏi phải tái phân bổ nguồn nước kịp thời.

Để phản ánh trực quan sự biến động này, kết quả nghiên cứu được hệ thống hóa qua các bảng cân bằng nước chi tiết theo lưu lượng đơn vị m3/s và tổng lượng triệu m3 ứng với tần suất thiết kế 85% cho từng tháng trong năm. Biểu đồ đường quá trình mực nước mô phỏng thủy lực bằng MIKE 11 tại các trạm Kim Tân, Hàm Rồng và Phà Thắm cho thấy rõ quy luật truyền triều và hiện tượng hạ thấp mực nước kiệt, chứng minh rằng các giải pháp khai thác nước tự chảy truyền thống ở hạ du không còn phù hợp nếu không có công trình dâng nước nhân tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả tính toán cân bằng nước và mô phỏng thủy lực, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược nhằm đảm bảo an ninh nguồn nước cho lưu vực sông Bưởi:

  1. Đầu tư xây dựng công trình trữ nước và dâng nước đầu mối: Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cùng Ủy ban nhân dân tỉnh Hòa Bình cần ưu tiên bố trí nguồn vốn giai đoạn 2016-2020 để xây dựng hồ chứa Cánh Tạng trên suối Cộng Hòa và đập dâng Chòm Mo, nhằm bổ sung dung tích điều tiết hữu ích trên 4,2 triệu m3 nước, giải quyết triệt để hạn hán cho 2.706 ha đất canh tác tại huyện Yên Thủy.
  2. Nâng cấp, hiện đại hóa hệ thống kênh mương và trạm bơm: Các Công ty TNHH Một thành viên Khai thác Công trình Thủy lợi tại Hòa Bình và Thanh Hóa cần thực hiện kiên cố hóa 100% hệ thống kênh chính và kênh cấp một của 584 công trình hiện hữu trong giai đoạn 2016-2018, phấn đấu nâng hệ số lợi dụng kênh mương từ mức 0,50 lên 0,70, giúp nâng diện tích tưới thực tế đạt trên 80% năng lực thiết kế.
  3. Cơ cấu lại mùa vụ và áp dụng công nghệ tưới tiết kiệm: Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn hai tỉnh chỉ đạo chuyển đổi cơ cấu cây trồng tại các khu vực thường xuyên khô hạn sang các giống ngô lai DK999 và mía chịu hạn, đồng thời triển khai mô hình tưới nhỏ giọt, tưới phun mưa cho 3.603,25 ha cây ăn quả và cây lâu năm nhằm tiết kiệm từ 20% đến 30% lượng nước tiêu thụ mặt ruộng.
  4. Xây dựng quy chế quản lý tổng hợp và quan trắc lưu vực liên tỉnh: Ủy ban nhân dân hai tỉnh Hòa Bình và Thanh Hóa cần thành lập Ban Điều phối lưu vực sông Bưởi trước năm 2018, thiết lập hệ thống tự động quan trắc mực nước và cảnh báo xâm nhập mặn, kiểm soát chặt chẽ lưu lượng xả thải của Khu công nghiệp Thạch Quảng 200 ha nhằm bảo vệ chất lượng nguồn nước hạ du.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn cung cấp nguồn tài liệu học thuật và thực tiễn giá trị cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

  1. Các cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và nông nghiệp: Lãnh đạo và chuyên viên thuộc Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Hòa Bình và Thanh Hóa có thể sử dụng số liệu cân bằng nước để hoạch định chiến lược cấp nước dài hạn và cấp phép khai thác nguồn nước mặt, nước ngầm chính xác.
  2. Các đơn vị khai thác công trình thủy lợi: Đội ngũ kỹ sư tại các công ty khai thác công trình thủy lợi địa phương có thể áp dụng các thông số tính toán mức tưới CROPWAT và biểu đồ điều tiết nước để tối ưu hóa quy trình vận hành đóng mở cống, trạm bơm trong mùa kiệt.
  3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành kỹ thuật tài nguyên nước: Tài liệu này là nghiên cứu tình huống điển hình về quy trình ứng dụng tích hợp mô hình CROPWAT và MIKE 11 trong bài toán thủy văn - thủy lực mạng sông phức tạp phục vụ đào tạo đại học và sau đại học.
  4. Các chủ đầu tư và ban quản lý dự án hạ tầng công nghiệp, nông nghiệp: Doanh nghiệp đầu tư vào vùng nguyên liệu mía đường và các khu công nghiệp tại Thạch Thành, Vĩnh Lộc có thể tra cứu định mức dùng nước để thiết kế hệ thống cấp - thoát nước đạt chuẩn.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân chính gây ra tình trạng thiếu nước nghiêm trọng tại hạ lưu sông Bưởi trong mùa kiệt là gì? Nguyên nhân chủ yếu do địa hình thượng lưu phát triển trên nền đá vôi karst chiếm 362 km2 làm tăng mức độ ngấm ngầm, kết hợp lượng mưa mùa kiệt chỉ chiếm 15% đến 20% tổng lượng mưa năm. Đồng thời, dòng chảy kiệt nhỏ nhất tại trạm Vụ Bản giảm sâu còn 1,09 m3/s, trong khi hệ thống kênh mương xuống cấp làm tổn thất nước trên 45%.

Mô hình CROPWAT đã giải quyết bài toán nhu cầu nước cho cây trồng trong nghiên cứu như thế nào? CROPWAT phiên bản 7.0 đã xử lý đồng bộ chuỗi số liệu khí tượng 51 năm cùng hệ số sinh lý cây trồng của từng thời kỳ phát triển. Mô hình tính toán chính xác lượng bốc thoát hơi chuẩn và lượng mưa hiệu quả theo tần suất 85%, từ đó xác định định mức tưới khoa học cho từng loại cây trồng như lúa, ngô lai và mía đường.

Hạ lưu sông Bưởi tận dụng nguồn nước từ sông Mã bổ trợ vào mùa khô bằng cách nào? Nhờ hiện tượng thủy triều truyền sâu vào cửa sông, nước từ dòng chính sông Mã đẩy ngược vào hạ lưu sông Bưởi từ khu vực trạm bơm Ngọc Nước trở xuống. Vùng hạ du có thể khai thác an toàn lượng nước bổ trợ từ 12 m3/s đến 13 m3/s từ sông Mã trong mùa kiệt mà không làm dịch chuyển ranh giới mặn.

Giải pháp nào mang tính quyết định để giải quyết hạn hán cho 6 xã phụ cận huyện Yên Thủy? Giải pháp then chốt là đầu tư xây dựng cụm công trình hồ chứa Cánh Tạng trên suối Cộng Hòa kết hợp đập dâng Chòm Mo. Công trình này cho phép điều tiết trữ lượng nước mùa lũ và cấp bổ sung lưu lượng ổn định phục vụ trực tiếp cho 2.706 ha đất sản xuất nông nghiệp bị khô hạn hàng năm.

Vì sao nghiên cứu cần phân chia lưu vực thành 4 vùng thủy lợi riêng biệt để tính toán cân bằng nước? Việc phân chia thành 4 vùng dựa trên ranh giới hành chính, đặc điểm phân cắt địa hình tự nhiên của 3 suối nhánh chính và cơ cấu cây trồng đặc thù. Cách tiếp cận này giúp xác định chính xác lượng nước thừa thiếu cục bộ của từng tiểu vùng, tránh tình trạng tính toán bình quân thiếu thực tế trên toàn lưu vực rộng 1.731 km2.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng cơ sở dữ liệu khoa học toàn diện về khí tượng, thủy văn và kinh tế - xã hội cho toàn bộ 1.731 km2 lưu vực sông Bưởi dựa trên chuỗi số liệu 51 năm.
  • Đánh giá chính xác thực trạng suy giảm năng lực của 584 công trình thủy lợi hiện hữu, chỉ rõ nguyên nhân khiến diện tích tưới thực tế chỉ đạt 48,8% nhu cầu.
  • Ứng dụng thành công tổ hợp công cụ hiện đại CROPWAT và MIKE 11 để tính toán nhu cầu nước và diễn toán chế độ thủy lực dòng kiệt với tần suất thiết kế 85%.
  • Xác lập hệ thống giải pháp công trình trọng điểm gồm hồ Cánh Tạng, đập Chòm Mo và kiên cố hóa kênh mương nhằm nâng hệ số lợi dụng từ 0,50 lên 0,70.
  • Hoàn thiện khung giải pháp phi công trình về quản lý tổng hợp tài nguyên nước liên tỉnh Hòa Bình - Thanh Hóa định hướng đến năm 2020.

Để hiện thực hóa các kết quả nghiên cứu, lộ trình tiếp theo đòi hỏi các địa phương nhanh chóng lập dự án đầu tư khả thi cho cụm công trình hồ Cánh Tạng trong giai đoạn 2016-2018 và triển khai nâng cấp đồng bộ trạm bơm hạ du trước năm 2020. Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu quan tâm có thể ứng dụng trực tiếp mô hình tính toán này để mở rộng quy hoạch chi tiết cho các tiểu lưu vực lân cận thuộc hệ thống sông Mã.