Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Cầu giữ vị trí huyết mạch trong hệ thống sông Thái Bình với tổng diện tích lưu vực 6.030 km² và chiều dài dòng chính đạt 288,5 km. Dòng sông khởi nguồn từ dãy núi Vạn On thuộc huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn ở độ cao 1.175 m, chảy qua 6 tỉnh và thành phố gồm Bắc Kạn, Thái Nguyên, Bắc Giang, Bắc Ninh, Vĩnh Phúc và Hà Nội trước khi hợp lưu tại Phả Lại. Hàng năm, mạng lưới thủy văn này gánh vác nhiệm vụ bảo đảm nguồn nước tưới trực tiếp cho khoảng 40.000 ha đất sản xuất nông nghiệp và cung cấp nước sinh hoạt cho hơn 1,8 triệu người dân sinh sống tại các đô thị lớn như thị xã Bắc Kạn, thành phố Thái Nguyên và thành phố Bắc Ninh.

Tổng lượng dòng chảy bình quân nhiều năm của toàn lưu vực đạt 4,85 tỷ m³, tương ứng với mô đun dòng chảy năm 21,4 l/s.km². Tuy nhiên, lượng mưa trung bình nhiều năm trên lưu vực chỉ dao động quanh ngưỡng 1.700 mm/năm, phân bố không đồng đều giữa các mùa. Mùa khô kéo dài suốt 7 tháng (từ tháng X đến tháng IV năm sau) nhưng chỉ chiếm khoảng 20% đến 26% tổng lượng mưa cả năm, dẫn đến tình trạng suy giảm dòng chảy kiệt nghiêm trọng. Trong khi đó, áp lực phát triển kinh tế ngày càng gia tăng khi dân số toàn vùng dự kiến tăng từ 3,24 triệu người năm 2011 lên 3,92 triệu người vào năm 2020, đi kèm với sự hình thành của 31 khu công nghiệp vùng hạ lưu có tổng diện tích quy hoạch lên tới 8.590 ha.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán mâu thuẫn cung - cầu nguồn nước trên dòng chính sông Cầu thông qua mục tiêu đánh giá toàn diện hiện trạng khai thác, tính toán cân bằng nước đa mục tiêu và đề xuất các giải pháp công trình cũng như phi công trình đồng bộ. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng nhằm ổn định lưu lượng khai thác tối thiểu từ 12 m³/s đến 25 m³/s cho hệ thống thủy nông Sông Cầu, giảm thiểu nguy cơ thiếu hụt nước sản xuất và kiểm soát ô nhiễm môi trường nước phục vụ mục tiêu phát triển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết Quản lý tổng hợp tài nguyên nước (IWRM) do Mạng lưới Đối tác Nguồn nước Toàn cầu và Liên Hợp Quốc khởi xướng. Khung lý thuyết này tiếp thu các bài học kinh nghiệm từ Quy hoạch quản lý lưu vực sông Danube năm 2009 và Quy hoạch lưu vực sông Murray Darling năm 2007, hướng đến việc tối ưu hóa lợi ích kinh tế - xã hội mà không làm suy thoái tính bền vững của các hệ sinh thái thiết yếu.

Lý thuyết cân bằng nước hệ thống lưu vực sông được ứng dụng để mô hình hóa mối quan hệ tương hỗ giữa nguồn nước đến tự nhiên, khả năng trữ của các hồ chứa (như hồ Núi Cốc với dung tích 175,5 triệu m³, hồ Đại Lải 30,5 triệu m³, hồ Xạ Hương 14,4 triệu m³), các công trình chuyển nước và nhu cầu tiêu thụ nước đa ngành. Nghiên cứu vận dụng 4 khái niệm cốt lõi:

  • Mô đun dòng chảy năm: Đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh dòng chảy trên một đơn vị diện tích lưu vực (đạt bình quân 21,4 l/s.km²).
  • Dòng chảy môi trường: Lưu lượng tối thiểu cần duy trì ở hạ lưu các công trình ngăn dòng nhằm bảo tồn hệ sinh thái thủy sinh và khả năng tự làm sạch.
  • Hệ số lợi dụng kênh mương: Tỷ lệ giữa lượng nước thực tế đưa đến mặt ruộng so với tổng lượng nước cấp tại đầu mối công trình thủy lợi.
  • Nhu cầu nước dùng biên: Định mức cấp nước tiêu chuẩn cho từng ngành kinh tế và sinh hoạt trong từng giai đoạn phát triển cụ thể.

Phương pháp nghiên cứu

Cơ sở dữ liệu nghiên cứu sử dụng chuỗi số liệu khí tượng thủy văn đồng bộ với độ dài 50 năm liên tục (từ năm 1961 đến năm 2010) được thu thập tại các trạm thủy văn chủ lực gồm Thác Riềng, Thác Bưởi, Gia Bảy trên dòng chính sông Cầu, trạm Giang Tiên trên sông Đu, trạm Tân Cương trên sông Công và trạm Phú Cường trên sông Cà Lồ. Chuỗi thời gian dài 50 năm là cỡ mẫu chuẩn mực trong thủy văn học, cho phép phản ánh đầy đủ quy luật biến động chu kỳ mùa lũ, mùa kiệt và các giá trị cực trị lịch sử.

Phương pháp điều tra thực địa được thực hiện toàn diện đối với 1.011 công trình thủy lợi vùng thượng lưu Thác Huống (gồm 275 hồ chứa, 467 đập dâng kiên cố, 99 phai đập tạm, 170 trạm bơm) và 34 hệ thống trạm bơm lớn khai thác dòng chính có tổng diện tích tưới thiết kế 25.838 ha. Đồng thời, toàn bộ dữ liệu quy hoạch đất nông nghiệp trên tổng diện tích 605.268 ha tự nhiên cùng các chỉ tiêu cấp nước theo quy chuẩn quốc gia được tích hợp để tính toán nhu cầu dùng nước.

Về phương pháp phân tích, tác giả lựa chọn mô hình WEAP (Water Evaluation And Planning System) do Viện Môi trường Stockholm phát triển, kết hợp phần mềm GIS MapInfo. Mô hình WEAP được lựa chọn nhờ cấu trúc tối ưu hóa phân bổ nguồn nước linh hoạt dựa trên nguyên lý cân bằng vật chất dạng mạng lưới nút - nhánh. Mô hình cho phép mô phỏng chính xác các kịch bản điều tiết hồ chứa, dòng chảy hồi quy và thứ tự ưu tiên dùng nước giữa các ngành kinh tế trong điều kiện dữ liệu vận hành thực tế phức tạp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích dữ liệu trên lưu vực sông Cầu đã xác định 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, dòng chảy năm phân phối bất đối xứng nghiêm trọng theo thời gian. Mùa lũ kéo dài 5 tháng (từ tháng VI đến tháng X) chiếm tới 70% đến 80% tổng lượng dòng chảy năm, riêng lượng nước trong hai tháng VII và VIII tại trạm Thác Bưởi đã đạt 0,669 tỷ m³ (chiếm 58,7% tổng lượng nước mùa lũ). Ngược lại, mùa kiệt kéo dài 7 tháng nhưng chỉ cung cấp 20% đến 30% lượng dòng chảy cả năm. Ba tháng kiệt nhất (từ tháng I đến tháng III) chỉ chiếm khoảng 2,0% tổng lượng nước năm; cụ thể tại Thác Bưởi, lưu lượng trung bình tháng II giảm xuống chỉ còn 11,0 m³/s và tháng III đạt 11,4 m³/s, thấp hơn nhiều so với nhu cầu sử dụng nước ở hạ du.

Thứ hai, hệ thống Thủy nông Sông Cầu (đầu mối đập Thác Huống) gặp khó khăn lớn về nguồn nước đầu vào. Mặc dù công trình được thiết kế phục vụ tưới cho 28.000 ha lúa với lưu lượng khai thác đầu kênh chính từ 12 m³/s đến 25 m³/s, diện tích tưới thực tế bình quân giai đoạn 2008-2012 chỉ đạt 17.825 ha (khoảng 70% diện tích lúa toàn vùng). Dòng chảy kiệt tự nhiên trên sông chính ứng với tần suất 85% trong các tháng II và III luôn thấp hơn 12 m³/s, dẫn đến tình trạng thiếu nước thường xuyên tại tuyến kênh chính dài 52,7 km và 227 km kênh nhánh.

Thứ ba, sự thiếu đồng bộ và bất cập trong quy trình phối hợp vận hành tiếp nguồn từ hồ Núi Cốc. Hồ Núi Cốc trên sông Công có dung tích hữu ích 168 triệu m³, theo Quyết định số 118/2006/QĐ-BNN có nhiệm vụ xả bổ sung mùa kiệt cho hệ thống Sông Cầu từ 22 đến 33 triệu m³/năm với lưu lượng từ 10 đến 15 m³/s. Tuy nhiên, thực tế giai đoạn 2007-2011, lượng nước tiếp nguồn chỉ đạt từ 3,74 đến 9,46 triệu m³/năm trong thời gian ngắn từ 7 đến 14 ngày. Ngược lại, bình quân 4 tháng mùa kiệt, hồ Núi Cốc xả thừa lãng phí xuống hạ lưu sông Công lên tới 26,21 triệu m³/năm do hoạt động phát điện của thủy điện Núi Cốc không được điều phối kết nối với nhu cầu lấy nước tại Thác Huống.

Thứ tư, chất lượng môi trường nước bị suy thoái nghiêm trọng từ trung lưu về hạ lưu. Đoạn sông từ ngã ba sông Đu đến Phù Lôi tiếp nhận gần 300 triệu m³/năm nước thải công nghiệp và sinh hoạt, khiến nguồn nước không đạt tiêu chuẩn loại A theo QCVN 08-2008. Vùng hạ lưu qua Bắc Ninh và Bắc Giang ghi nhận nồng độ BOD, COD và Coliform vượt quy chuẩn cho phép từ hàng chục đến hàng trăm lần do khả năng tự pha loãng của sông bị suy giảm trong mùa cạn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi của sự mất cân bằng nước bắt nguồn từ tốc độ đô thị hóa, gia tăng diện tích các khu công nghiệp từ 5.273 ha lên 8.590 ha và sự mở rộng cây trồng cạn, chăn nuôi trên lưu vực. Mặt khác, sự phối hợp lỏng lẻo giữa Công ty Khai thác Công trình Thủy lợi tỉnh Thái Nguyên và Công ty Khai thác Công trình Thủy lợi Sông Cầu khiến nguồn nước trữ quý giá tại hồ Núi Cốc chưa được tận dụng triệt để.

Đối chiếu với các nghiên cứu quy hoạch lưu vực sông quốc tế, tình trạng phân mảnh trong quản lý hồ chứa và khai thác dòng chính luôn là rào cản lớn nhất đối với an ninh nguồn nước. Sự suy thoái chất lượng nước hạ lưu sông Cầu phản ánh chính xác quy luật mối quan hệ giữa lưu lượng dòng chảy kiệt và nồng độ chất ô nhiễm hòa tan: khi lưu lượng mùa cạn giảm dưới 20% tổng lượng năm, tải lượng ô nhiễm từ 300 triệu m³ nước thải sẽ nhanh chóng vượt quá sức chịu tải của thủy vực.

Trong báo cáo nghiên cứu, các kết quả tính toán thủy văn và cân bằng nước được thể hiện trực quan thông qua hệ thống bản đồ phân vùng thủy lợi MapInfo, biểu đồ đường quá trình dòng chảy thực đo so với dòng chảy mô phỏng tại trạm Thác Bưởi trong bước kiểm định mô hình WEAP, cùng các bảng tổng hợp cân bằng nước chi tiết theo 12 tháng tại 14 tiểu lưu vực giúp các nhà quản lý nhận diện chính xác các vị trí thiếu hụt nguồn nước.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm giải quyết triệt để tình trạng thiếu nước mùa kiệt và nâng cao hiệu quả khai thác tài nguyên nước trên lưu vực sông Cầu, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp trọng tâm:

  1. Xây dựng và hoàn thiện cụm công trình hồ chứa Nậm Cắt tại tỉnh Bắc Kạn: Ủy ban nhân dân tỉnh Bắc Kạn cùng các cơ quan chuyên môn cần đẩy nhanh tiến độ đầu tư xây dựng hồ Nậm Cắt nhằm tạo dung tích trữ nước phục vụ cắt lũ mùa mưa và tiếp nguồn mùa cạn. Mục tiêu cấp nước đạt 100% nhu cầu sinh hoạt và đô thị cho thị xã Bắc Kạn với công suất dự kiến giai đoạn 2020 đạt quy mô dân số từ 100.000 đến 110.000 người, định hướng đến năm 2030, hoàn thành công trình trong giai đoạn 2015-2020.

  2. Tái cấu trúc và chuẩn hóa quy chế vận hành điều tiết hồ Núi Cốc: Tổng cục Thủy lợi và Ủy ban nhân dân tỉnh Thái Nguyên chủ trì điều chỉnh lịch xả nước phát điện gắn liền với lịch lấy nước tưới nông nghiệp của vùng hạ du. Mục tiêu nâng tổng lượng nước xả bổ sung mùa kiệt thực tế qua kênh chuyển nước sang hệ thống Sông Cầu đạt đúng chỉ tiêu thiết kế từ 22 đến 33 triệu m³/năm, duy trì lưu lượng xả liên tục từ 10 m³/s đến 15 m³/s trong các đợt đổ ải vụ Đông Xuân (tháng I đến tháng III hàng năm).

  3. Nâng cấp hạ tầng chuyển tải và hiện đại hóa 34 trạm bơm ven sông: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn các tỉnh Thái Nguyên, Bắc Giang, Bắc Ninh, Vĩnh Phúc và thành phố Hà Nội tiến hành cải tạo, mở rộng mặt cắt kênh chuyển nước Núi Cốc - Sông Cầu, kiên cố hóa 52,7 km kênh chính Thác Huống; đồng thời duy tu, nâng cấp máy bơm tại 34 trạm bơm khai thác dòng chính nhằm nâng diện tích tưới thực tế từ 19.610 ha đạt mức thiết kế 25.838 ha trong giai đoạn 2016-2020.

  4. Thực thi giải pháp quản lý nhu cầu nước và kiểm soát chất lượng xả thải: Các Công ty Khai thác Công trình Thủy lợi áp dụng kỹ thuật tưới tiết kiệm nước (nông - lộ - phơi) cho 177.000 ha lúa, phấn đấu nâng hệ số lợi dụng kênh mương từ mức 0,65 hiện nay lên 0,80 - 0,85 vào năm 2020. Đồng thời, Sở Tài nguyên và Môi trường các địa phương tăng cường thanh tra, kiểm soát nghiêm ngặt gần 300 triệu m³/năm nước thải công nghiệp, làng nghề xả vào sông Cầu, xử lý đạt chuẩn QCVN 08-2008 trước khi xả ra môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

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

  1. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước và nông nghiệp: Các đơn vị như Cục Quản lý Tài nguyên Nước, Tổng cục Thủy lợi, Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tại 6 tỉnh thuộc lưu vực có thể sử dụng các số liệu cân bằng nước và kịch bản phân bổ WEAP để xây dựng quy hoạch lưu vực sông cấp vùng và ban hành quy chế phối hợp khai thác nước liên tỉnh.

  2. Doanh nghiệp khai thác công trình thủy lợi: Công ty Khai thác Công trình Thủy lợi Sông Cầu, Công ty Khai thác Công trình Thủy lợi Thái Nguyên và các ban quản lý hồ đập sử dụng quy trình xả nước đề xuất để tối ưu hóa thời gian tiếp nguồn từ hồ Núi Cốc, giảm lượng nước xả thừa 26,21 triệu m³ và nâng cao hiệu suất phục vụ tưới.

  3. Kỹ sư tư vấn quy hoạch và nhà nghiên cứu thủy văn: Đội ngũ chuyên gia tại Viện Quy hoạch Thủy lợi, Viện Khoa học Thủy lợi có thể kế thừa phương pháp thiết lập mạng lưới WEAP, cách xử lý chuỗi số liệu 50 năm và phương pháp hiệu chỉnh thông số mô hình tại các lưu vực có chế độ thủy văn phức tạp.

  4. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Tài nguyên nước: Luận văn là tài liệu tham khảo chất lượng về cách tiếp cận phương pháp IWRM, mô hình hóa toán học dòng chảy lưu vực và phương pháp giải quyết các bài toán mâu thuẫn sử dụng nước trong thực tiễn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao lưu vực sông Cầu lại đối mặt với nguy cơ thiếu hụt nguồn nước trầm trọng trong mùa khô dù có tổng lượng dòng chảy năm lên tới 4,85 tỷ m³?
    Sự thiếu hụt nguồn nước bắt nguồn từ sự phân bố dòng chảy không đều theo thời gian, khi mùa lũ chiếm tới 70% đến 80% tổng lượng dòng chảy năm. Trong 7 tháng mùa kiệt, lượng nước chỉ chiếm 20% đến 30%, cá biệt ba tháng kiệt nhất (tháng I đến tháng III) chỉ chiếm khoảng 2,0% tổng lượng năm, khiến lưu lượng tại Thác Bưởi hạ xuống mức 11,0 m³/s, không đáp ứng đủ nhu cầu cấp nước đồng thời cho 40.000 ha nông nghiệp và các đô thị.

  2. Ưu thế nổi bật của việc ứng dụng mô hình WEAP trong nghiên cứu quản lý nước lưu vực sông Cầu là gì?
    Mô hình WEAP tích hợp linh hoạt nguyên lý cân bằng nước hệ thống với cấu trúc nút - nhánh, cho phép mô phỏng chuỗi thủy văn 50 năm (1961-2010) kết hợp với các kịch bản vận hành hồ Núi Cốc (175,5 triệu m³), hồ Nậm Cắt và 34 trạm bơm. Mô hình giúp định lượng chính xác lượng nước thiếu hụt theo từng tháng tại từng tiểu lưu vực và đánh giá hiệu quả của các giải pháp công trình trước khi triển khai thực tế.

  3. Thực trạng xả tiếp nguồn của hồ Núi Cốc cho hệ thống Thủy nông Sông Cầu có điểm bất cập nào cần khắc phục?
    Theo quy chuẩn, hồ Núi Cốc phải bổ sung từ 22 đến 33 triệu m³/năm (lưu lượng 10-15 m³/s) cho sông Cầu trong mùa kiệt, nhưng thực tế chỉ xả được 3,74 đến 9,46 triệu m³/năm trong 7 đến 14 ngày. Trái lại, hồ xả thừa vô ích xuống hạ lưu sông Công trung bình 26,21 triệu m³/năm trong 4 tháng mùa kiệt do thiếu cơ chế phối hợp điều tiết giữa phát điện thủy điện và lấy nước tưới nông nghiệp.

  4. Mức độ ô nhiễm môi trường nước sông Cầu hiện nay đang diễn ra nghiêm trọng nhất ở những phân đoạn nào?
    Đoạn trung lưu (từ ngã ba sông Đu đến Phù Lôi) và hạ lưu (qua Bắc Ninh, Bắc Giang) bị ô nhiễm nặng nhất do tiếp nhận gần 300 triệu m³/năm nước thải công nghiệp, sinh hoạt và làng nghề. Các chỉ tiêu ô nhiễm như BOD, COD và Coliform đều vượt tiêu chuẩn QCVN 08-2008 từ hàng chục đến hàng trăm lần, đặc biệt trong mùa khô khi dòng chảy tự nhiên kiệt quệ không còn khả năng tự làm sạch.

  5. Việc đầu tư xây dựng hồ chứa Nậm Cắt tại Bắc Kạn mang lại ý nghĩa chiến lược gì cho bài toán nguồn nước của lưu vực?
    Hồ Nậm Cắt tạo ra dung tích trữ nước chủ động tại vùng thượng nguồn hiểm trở, đảm bảo cắt giảm đỉnh lũ mùa mưa và cung cấp nguồn nước ngọt ổn định phục vụ 100% nhu cầu sinh hoạt, công nghiệp cho thành phố Bắc Kạn với quy mô dân số dự báo từ 100.000 đến 110.000 người vào năm 2020, đồng thời hỗ trợ duy trì dòng chảy môi trường cho thượng lưu sông Cầu.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện bức tranh thủy văn lưu vực sông Cầu với tổng lượng dòng chảy 4,85 tỷ m³/năm, vạch rõ sự phân hóa sâu sắc khi 70% đến 80% lượng nước tập trung trong mùa lũ và dòng chảy mùa kiệt chỉ chiếm 20% đến 30%.
  • Nghiên cứu chỉ ra những mâu thuẫn gay gắt trong thực tiễn khai thác nguồn nước, đặc biệt là sự thiếu hụt nước tại hệ thống thủy nông Thác Huống (chỉ tưới được 17.825 ha so với thiết kế 28.000 ha) và sự lãng phí 26,21 triệu m³ nước xả thừa mùa kiệt tại hồ Núi Cốc.
  • Ứng dụng thành công mô hình WEAP kết hợp chuỗi dữ liệu 50 năm (1961-2010) và phần mềm MapInfo, thiết lập công cụ mô phỏng cân bằng nước và phân bổ tài nguyên nước chuẩn xác cho 14 tiểu lưu vực.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp tổng thể gồm xây dựng hồ Nậm Cắt, nâng cấp quy trình vận hành hồ Núi Cốc để đảm bảo xả bổ sung 22 đến 33 triệu m³/năm, cải tạo 34 trạm bơm ven sông và nâng hệ số lợi dụng kênh mương lên 0,80 - 0,85.
  • Đóng góp luận cứ khoa học để hoàn thiện thể chế quản lý liên tỉnh và quản lý nhu cầu nước trước áp lực gia tăng dân số lên 3,92 triệu người và 8.590 ha khu công nghiệp vào năm 2020.

Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 2015 đến 2020, các địa phương trên lưu vực cần khẩn trương hiện thực hóa quy chế điều tiết liên hồ chứa và triển khai kiên cố hóa hệ thống kênh mương. Các cơ quan quản lý và đơn vị khai thác công trình thủy lợi hãy ứng dụng ngay mô hình cân bằng nước WEAP từ luận văn này vào công tác điều hành thực tế nhằm đảm bảo an ninh nguồn nước và phát triển kinh tế - xã hội bền vững cho toàn lưu vực sông Cầu.