Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng ngày càng gia tăng, hiện tượng xâm nhập mặn đã trở thành thách thức lớn đối với sản xuất nông nghiệp tại các vùng ven biển Việt Nam, đặc biệt là hệ thống thủy lợi sông Đáy. Theo ước tính, hệ thống thủy lợi Nghĩa Hưng thuộc tỉnh Nam Định phục vụ tưới tiêu cho khoảng 17.672 ha đất nông nghiệp, trong đó diện tích trồng lúa chiếm hơn 10.800 ha. Tuy nhiên, hiện trạng xâm nhập mặn đã làm giảm khả năng lấy nước ngọt, ảnh hưởng nghiêm trọng đến năng suất cây trồng và nuôi trồng thủy sản. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình tính toán khả năng cấp nước cho hệ thống thủy lợi sông Đáy trong điều kiện nước biển dâng đến năm 2030, đồng thời đề xuất các giải pháp cấp nước hiệu quả nhằm phục vụ sản xuất nông nghiệp bền vững. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống thủy lợi Nghĩa Hưng, tỉnh Nam Định, với dữ liệu thu thập từ các trạm thủy văn và khí tượng trong giai đoạn 2018-2019. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả quản lý nguồn nước, giảm thiểu thiệt hại do xâm nhập mặn, góp phần phát triển kinh tế - xã hội vùng đồng bằng sông Hồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy lực hiện đại để mô phỏng dòng chảy và xâm nhập mặn trong hệ thống sông ngòi. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Hệ phương trình Saint-Venant: Đây là hệ phương trình cơ bản mô tả dòng chảy một chiều trong kênh hở, bao gồm phương trình bảo toàn khối lượng và phương trình động lượng, được sử dụng để tính toán lưu lượng và mực nước trong hệ thống thủy lợi.

  • Phương trình khuếch tán - vận chuyển chất hòa tan (Advection-Dispersion Equation): Dùng để mô phỏng quá trình lan truyền và phân bố độ mặn trong dòng chảy, dựa trên giả thiết vật chất hòa tan được khuếch tán và vận chuyển theo dòng chảy.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: xâm nhập mặn, mô hình thủy lực một chiều, mô hình MIKE 11, lưu lượng lấy nước, mực nước triều, và kịch bản nước biển dâng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các trạm thủy văn, khí tượng và các công trình thủy lợi trong khu vực Nghĩa Hưng, bao gồm số liệu mực nước, lưu lượng, độ mặn và lượng mưa trong giai đoạn 2018-2019. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 96 mặt cắt ngang sông với khoảng cách 2-4 km, cùng các số liệu vận hành công trình đầu mối và kênh mương.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình thủy lực MIKE 11 do Viện Thủy lực Đan Mạch phát triển, mô hình một chiều kết hợp các mô-đun thủy lực và chất lượng nước để mô phỏng dòng chảy và xâm nhập mặn. Quá trình nghiên cứu gồm các bước: xây dựng sơ đồ mạng lưới sông kênh, thiết lập điều kiện biên, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình dựa trên số liệu thực đo, sau đó mô phỏng các kịch bản nước biển dâng đến năm 2030. Thời gian nghiên cứu tập trung vào giai đoạn lấy nước căng thẳng nhất trong vụ Đông Xuân, từ tháng 1 đến tháng 3 hàng năm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng cấp nước giảm do xâm nhập mặn: Kết quả mô phỏng cho thấy, trong điều kiện nước biển dâng, khả năng lấy nước tự chảy tại các cổng đầu mối của hệ thống Nghĩa Hưng giảm khoảng 20-30% so với hiện trạng, đặc biệt trong giai đoạn tưới đổ ải và tưới dưỡng. Lưu lượng lấy nước tối thiểu trung bình giảm xuống còn khoảng 5,38 m³/s, thấp hơn nhiều so với nhu cầu thiết kế.

  2. Thời gian lấy nước hiệu quả bị rút ngắn: Thời gian mở cổng lấy nước trong vụ Đông Xuân giảm từ trung bình 40 ngày xuống còn khoảng 25-30 ngày do ảnh hưởng của mặn xâm nhập kéo dài và mực nước triều biến động. Điều này làm hạn chế nguồn nước tưới cho cây trồng, gây ảnh hưởng tiêu cực đến năng suất.

  3. Hiệu quả mô hình MIKE 11 trong dự báo xâm nhập mặn: Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định với chỉ số Nash-Sutcliffe đạt khoảng 0,8-0,85, sai số lệch chuẩn dưới 10% so với số liệu thực đo tại các trạm như Âm Sa, Tiên Phong và Như Tân. Mô hình phản ánh chính xác diễn biến mực nước và độ mặn trong hệ thống, phù hợp để ứng dụng trong quản lý vận hành.

  4. Tình trạng xuống cấp công trình thủy lợi ảnh hưởng đến khả năng cấp nước: Hầu hết các công trình đầu mối có tuổi thọ trên 30 năm, nhiều cổng bị thu hẹp khẩu độ, hư hỏng mái đá, rò rỉ nước, làm giảm hiệu quả vận hành. Diện tích tưới chủ động hiện chỉ đạt khoảng 30% so với thiết kế, với khoảng 6.493 ha bị hạn nước, chủ yếu ở phía nam huyện Nghĩa Hưng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm khả năng cấp nước là do sự kết hợp giữa xâm nhập mặn kéo dài, biến động mực nước triều và sự xuống cấp của hệ thống công trình thủy lợi. So với các nghiên cứu trước đây tại đồng bằng sông Cửu Long và đồng bằng sông Hồng, kết quả này tương đồng với xu hướng gia tăng ảnh hưởng của nước biển dâng đến nguồn nước ngọt phục vụ nông nghiệp. Việc mô hình MIKE 11 cho kết quả kiểm định tốt cho thấy đây là công cụ hữu hiệu để dự báo và quản lý nguồn nước trong điều kiện biến đổi khí hậu. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh mực nước và độ mặn thực đo với mô hình, cũng như bảng tổng hợp lưu lượng lấy nước theo từng kịch bản nước biển dâng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp, cải tạo công trình đầu mối: Tăng khẩu độ các cổng lấy nước, sửa chữa mái đá, chống rò rỉ nhằm nâng cao khả năng lấy nước tự chảy. Mục tiêu đạt tối thiểu 80% công suất thiết kế trong vòng 3 năm, do Công ty TNHH một thành viên KTCTTL Nghĩa Hưng chủ trì thực hiện.

  2. Xây dựng hệ thống bơm bổ sung: Lắp đặt các trạm bơm điện tại các vùng trũng, đặc biệt là phía nam huyện để bù đắp thiếu hụt nước do xâm nhập mặn, đảm bảo diện tích tưới chủ động đạt trên 70% trong 5 năm tới.

  3. Ứng dụng mô hình dự báo xâm nhập mặn thời gian thực: Sử dụng mô hình MIKE 11 kết hợp dữ liệu quan trắc để cảnh báo sớm và điều hành vận hành công trình linh hoạt, giảm thiểu thiệt hại cho sản xuất nông nghiệp. Thời gian triển khai trong 1-2 năm, phối hợp giữa Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam và các cơ quan quản lý địa phương.

  4. Tăng cường quản lý và bảo vệ hành lang sông, kênh mương: Giải tỏa vi phạm, nạo vét kênh mương thường xuyên để đảm bảo lưu thông dòng chảy, giảm bồi lắng. Mục tiêu giảm thiểu ngập úng cục bộ trong mùa mưa, do chính quyền địa phương và các đơn vị quản lý thủy lợi thực hiện liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý thủy lợi và nông nghiệp: Để áp dụng các giải pháp nâng cao hiệu quả cấp nước, vận hành hệ thống thủy lợi trong điều kiện biến đổi khí hậu.

  2. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia thủy văn, thủy lực: Tham khảo mô hình MIKE 11 và phương pháp mô phỏng xâm nhập mặn, phục vụ nghiên cứu và phát triển công nghệ quản lý nguồn nước.

  3. Các cơ quan hoạch định chính sách về tài nguyên nước và biến đổi khí hậu: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách thích ứng, quy hoạch phát triển bền vững vùng ven biển.

  4. Người dân và hợp tác xã nông nghiệp vùng ven biển: Hiểu rõ tác động của xâm nhập mặn và các giải pháp cấp nước, từ đó phối hợp với chính quyền trong việc bảo vệ nguồn nước và sản xuất hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xâm nhập mặn ảnh hưởng như thế nào đến sản xuất nông nghiệp tại Nghĩa Hưng?
    Xâm nhập mặn làm giảm khả năng lấy nước ngọt, gây hạn hán cục bộ, ảnh hưởng đến sinh trưởng cây trồng và nuôi trồng thủy sản. Ví dụ, độ mặn vượt quá 1‰ có thể làm chết cây lúa non và giảm năng suất.

  2. Mô hình MIKE 11 có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    MIKE 11 là mô hình thủy lực một chiều tích hợp mô-đun chất lượng nước, cho phép mô phỏng chính xác dòng chảy và phân bố độ mặn trong hệ thống sông kênh phức tạp, được kiểm định với sai số dưới 10%.

  3. Giải pháp nào hiệu quả nhất để giảm thiểu ảnh hưởng của xâm nhập mặn?
    Nâng cấp công trình đầu mối kết hợp với xây dựng hệ thống bơm bổ sung và ứng dụng mô hình dự báo thời gian thực là các giải pháp hiệu quả, giúp duy trì nguồn nước tưới ổn định.

  4. Thời gian lấy nước hiệu quả bị ảnh hưởng ra sao trong điều kiện nước biển dâng?
    Thời gian lấy nước hiệu quả giảm khoảng 25-30% so với hiện trạng, làm hạn chế nguồn nước tưới trong các giai đoạn quan trọng của vụ Đông Xuân.

  5. Làm thế nào để quản lý tốt hơn hệ thống thủy lợi trong điều kiện biến đổi khí hậu?
    Cần tăng cường quản lý hành lang sông, nạo vét kênh mương, giám sát chất lượng nước, phối hợp vận hành linh hoạt dựa trên mô hình dự báo và nâng cấp công trình thủy lợi.

Kết luận

  • Xâm nhập mặn và nước biển dâng đã làm giảm đáng kể khả năng cấp nước và thời gian lấy nước hiệu quả cho hệ thống thủy lợi Nghĩa Hưng.
  • Mô hình thủy lực MIKE 11 được hiệu chỉnh và kiểm định thành công, là công cụ tin cậy để dự báo và quản lý nguồn nước trong điều kiện biến đổi khí hậu.
  • Hệ thống công trình thủy lợi hiện tại bị xuống cấp, cần được nâng cấp và cải tạo để đảm bảo hiệu quả vận hành.
  • Các giải pháp cấp nước kết hợp công trình và phi công trình được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nước phục vụ sản xuất nông nghiệp.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng chính sách và kế hoạch quản lý nguồn nước bền vững tại vùng ven biển đồng bằng sông Hồng.

Next steps: Triển khai thực hiện các giải pháp nâng cấp công trình, áp dụng mô hình dự báo trong quản lý vận hành, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các vùng thủy lợi khác chịu ảnh hưởng xâm nhập mặn.

Call to action: Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu cần phối hợp chặt chẽ để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn, góp phần bảo vệ nguồn nước và phát triển nông nghiệp bền vững trong bối cảnh biến đổi khí hậu.