Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống thủy lợi Nam Nghệ An giữ vai trò huyết mạch trong việc đảm bảo an ninh nguồn nước, phục vụ tưới tiêu và phòng chống úng ngập cho diện tích tự nhiên 19.472 ha thuộc các huyện Nam Đàn, Hưng Nguyên, Nghi Lộc, thành phố Vinh và thị xã Cửa Lò. Với lưu vực tiêu thoát nước mở rộng lên tới 48.400 ha, khu vực này đang chịu sức ép to lớn từ quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa thần tốc. Diện tích đất phi nông nghiệp và đô thị dự kiến tăng mạnh từ 4.182,57 ha năm 2016 lên mức 7.893,00 ha vào năm 2030, dẫn tới việc san lấp hàng loạt ao hồ, đầm trũng trữ nước tự nhiên và làm gia tăng nhanh chóng hệ số dòng chảy mặt.

Song song với quá trình chuyển đổi sử dụng đất, hạ tầng công trình đầu mối của hệ thống Nam Nghệ An sau nhiều thập kỷ khai thác đã xuống cấp nghiêm trọng. Nhiều hạng mục trọng yếu như cống Bến Thủy, cống Nam Đàn và trạm bơm Hưng Châu hiện chỉ vận hành đạt khoảng 60% đến 65% công suất thiết kế ban đầu. Sự kết hợp giữa các đợt mưa cực đoan có cường độ trên 200 mm và hiện tượng triều cường dâng cao tại cửa sông Lam khiến tình trạng ngập úng nội đồng diễn ra dai dẳng, đe dọa trực tiếp đến đời sống dân sinh của 730.613 người và làm ngưng trệ các hoạt động sản xuất kinh tế.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá toàn diện hiện trạng tiêu thoát nước, xác định chính xác nhu cầu tiêu úng của các ngành kinh tế trong thời điểm hiện tại và tầm nhìn năm 2030. Trên cơ sở đó, đề tài ứng dụng các công cụ tính toán thủy lực tiên tiến để đề xuất hệ thống giải pháp công trình và phi công trình tối ưu, nhằm nâng cao năng lực tiêu thoát nước tự chảy, cắt giảm đỉnh lũ ngập úng và bảo đảm mục tiêu phát triển kinh tế – xã hội bền vững cho toàn vùng Nam Nghệ An.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết thủy lực dòng chảy không ổn định một chiều trong hệ thống sông và kênh hở, mô tả qua hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng Saint-Venant gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng. Khung lý thuyết này cho phép mô phỏng chính xác sự biến đổi theo không gian và thời gian của mực nước và lưu lượng trên toàn bộ mạng lưới kênh tiêu phức tạp.

Đồng thời, đề tài áp dụng lý thuyết cân bằng nước mặt ruộng và tiêu thoát úng nông nghiệp theo Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 10406:2015 kết hợp Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia QCVN 04-05:2012 về công trình thủy lợi. Các khái niệm và thông số kỹ thuật cốt lõi được lượng hóa bao gồm:

  • Hệ số tiêu thiết kế: Đại lượng đặc trưng cho lưu lượng nước cần tháo rút trên một đơn vị diện tích lưu vực trong một đơn vị thời gian.
  • Hệ số dòng chảy mặt: Phản ánh tỷ lệ chuyển hóa từ mưa thành dòng chảy lũ, được xác định theo đặc tính phủ bề mặt với đất lúa và ao hồ đạt mức 1,0; đất trồng cây hoa màu đạt 0,60; đất chuyên dùng và đô thị đạt từ 0,80 đến 0,90.
  • Khả năng chịu ngập của cây trồng: Giới hạn độ sâu và thời gian ngập úng cho phép đối với cây lúa ở các giai đoạn sinh trưởng sao cho mức suy giảm năng suất không vượt quá 10%, cụ thể giai đoạn bén chân cho phép ngập một phần hai chiều cao cây lúa trong 7 ngày hoặc hai phần ba chiều cao không quá 3 ngày.
  • Mức tiêu hao mặt ruộng: Tổng lượng bốc hơi mặt thoáng và lượng nước ngấm đáy ruộng được xác định thực nghiệm ở mức 9 mm/ngày.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của nghiên cứu bao gồm chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn liên tục 30 năm (giai đoạn 1985–2014) tại trạm khí tượng Vinh tọa lạc ở vĩ độ 18º40’B và kinh độ 105º41’Đ. Cơ sở dữ liệu hình học bao gồm toàn bộ bình đồ và mặt cắt trắc ngang của hơn 50 km kênh tiêu trục chính, tiêu biểu như tuyến Kênh Thấp dài 23,23 km với bề rộng đáy 22,0 m, tuyến kênh Hoàng Cần dài 13,46 km, tuyến kênh Lam Trà dài 11,48 km và tuyến kênh Gai dài 1,70 km. Dữ liệu quy hoạch không gian sử dụng đất của toàn vùng với tổng diện tích 42.908,34 ha được kế thừa từ quy hoạch phát triển kinh tế – xã hội tỉnh Nghệ An giai đoạn 2016–2030.

Phương pháp chọn mẫu thống kê xác suất được triển khai trên chuỗi số liệu mưa 30 năm để phân tích tần suất xuất hiện và tính chất bao của các trận mưa cực đoan. Kết quả phân tích chỉ ra rằng trận mưa 3 ngày lớn nhất có tính chất bao phủ vượt trội với 80% trường hợp nằm trong chuỗi 5 ngày lớn nhất và 73% bao trọn trận mưa 1 ngày cực đại. Do đó, mô hình mưa tiêu thiết kế 3 ngày lớn nhất với chu kỳ lặp tần suất P = 10% được chọn làm kịch bản tính toán chuẩn, có tổng lượng mưa đạt 556,80 mm (phân bổ ngày thứ nhất 53,86 mm, ngày thứ hai đạt đỉnh 348,19 mm, ngày thứ ba 154,75 mm).

Phương pháp phân tích mô hình toán sử dụng phần mềm thủy lực một chiều MIKE 11 do Viện Thủy động lực học Đan Mạch (DHI) phát triển. Lý do lựa chọn MIKE 11 thay vì các mô hình khác (như VRSAP hay SOBEK) là nhờ thuật toán sai phân ẩn Abbott-Ionescu 6 điểm có độ ổn định số học vượt trội, khả năng giải quyết chính xác bài toán truyền sóng lũ trên mạng lưới sông kênh hở phức tạp chịu tác động mạnh mẽ của biên độ triều ven biển (biên độ triều tại Cửa Hội đạt tới 3,10 m và Chợ Tràng đạt 2,20 m), đồng thời mô phỏng linh hoạt hoạt động điều tiết của hàng chục cống đóng mở tự động và trạm bơm tiêu nội đồng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu phát hiện năng lực tháo nước tự chảy và chuyển tải dòng chảy của mạng lưới kênh tiêu hiện trạng bị suy giảm nghiêm trọng so với thông số thiết kế ban đầu. Điển hình tuyến Kênh Thấp dù được thiết kế dẫn lưu lượng tối đa 33,67 m3/s nhưng hiện tượng bồi lắng và lấn chiếm lòng dẫn đã gây co hẹp mặt cắt ướt tại nhiều phân đoạn. Tại các công trình đầu mối, Trạm bơm Hưng Châu (thiết kế gồm 8 tổ máy trục đứng DU-750 công suất 200 kW, lưu lượng 8.000 m3/h mỗi máy phục vụ tiêu cho 2.488 ha) hiện chỉ vận hành được 5 trên 8 tổ máy do hư hỏng cơ khí ở máy số 4, 6 và 8. Cống Bến Thủy và các cống dưới đê Tả Lam như cống 3A, 3B bị rò rỉ nước qua thân van và tắc nghẽn dòng chảy dẫn đến tình trạng khi xuất hiện các trận mưa trên 200 mm (điển hình trận mưa lịch sử 268 mm), nước không kịp thoát và gây úng ngập kéo dài từ 10 đến 15 ngày.

Thứ hai, tốc độ đô thị hóa làm thay đổi sâu sắc cán cân thủy văn toàn vùng đến năm 2030. Diện tích đất nông nghiệp giảm từ 38.725,77 ha xuống 35.015,34 ha (giảm 9,58%), trong đó đất trồng lúa giảm 2.388,22 ha và đất nuôi trồng thủy sản giảm 949,00 ha. Ngược lại, diện tích đất phi nông nghiệp và đô thị hóa tăng tới 88,71%, từ mức 4.182,57 ha lên 7.893,00 ha. Việc chuyển đổi các vùng đất trũng trữ nước tự nhiên thành bề mặt bê tông hóa có hệ số dòng chảy cao (C = 0,90) làm gia tăng đột biến hệ số tiêu nội đồng, khiến lưu lượng đỉnh lũ thiết kế tại các trục kênh chính tăng thêm từ 18% đến 25% so với giai đoạn 2016.

Thứ ba, việc mô phỏng phương án xây dựng hệ thống hồ điều hòa kết hợp nạo vét kênh mương đem lại hiệu quả cắt lũ vượt bậc. Khi thiết lập phương án bố trí 3 hồ điều hòa tại các vùng trũng cục bộ, mực nước lũ lớn nhất trên các trục tiêu xung yếu giảm rõ rệt: mực nước đỉnh lũ dọc tuyến kênh Gai (tại Km5+000 và Km13+000) hạ thấp từ 0,30 m đến 0,45 m; trên sông Cửa Tiền (tại Km5+000) giảm từ 0,25 m đến 0,38 m; và trên kênh Hoàng Cần giảm khoảng 0,20 m đến 0,32 m so với kịch bản không có hồ điều hòa, giúp rút ngắn thời gian tháo cạn nước nội đồng xuống dưới 3 ngày.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi gây ra tình trạng ngập úng tại Nam Nghệ An bắt nguồn từ sự bất lợi về địa hình và thủy triều. Địa thế toàn vùng có dạng lòng chảo nghiêng từ Tây sang Đông nhưng dải đất ven biển và hạ lưu sông Cấm lại có cao trình rất thấp, chỉ dao động từ +0,50 m đến +1,50 m. Khi xuất hiện mưa lớn tập trung trùng với thời kỳ triều cường sông Lam dâng cao (mực nước ngoài sông đạt trên mức báo động 3 ở cao trình +5,30 m), toàn bộ các cửa cống tự chảy buộc phải đóng kín để ngăn triều xâm nhập mặn. Điều này khiến toàn bộ lượng nước lũ dồn ứ tại các khu trũng Châu – Lợi và vùng Bãi Nón, vượt quá khả năng bơm tát cục bộ của trạm bơm Hưng Châu.

Kết quả tính toán của đề tài hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu quốc tế về động lực học nguồn nước dưới tác động của biến đổi khí hậu và đô thị hóa, tiêu biểu như nhận định của các nhà khoa học Đài Loan khi chỉ ra biến đổi khí hậu làm tăng nhu cầu tưới tiêu thêm 7,10%, cũng như kết luận của các chuyên gia nông nghiệp Việt Nam về tính tổn thương nghiêm trọng của dải đồng bằng ven biển Bắc Trung Bộ.

Các phát hiện thủy lực trong nghiên cứu được thể hiện trực quan qua chuỗi biểu đồ đường quá trình mực nước theo thời gian tại các vị trí lý trình khống chế (Km2+500 Kênh Thấp, Km5+000 kênh Gai, Km5+000 sông Cửa Tiền) và các bảng so sánh tương quan cao trình mực nước lớn nhất giữa phương án hiện trạng và phương án quy hoạch 3 hồ điều hòa. Hình thức biểu diễn dữ liệu bằng đồ thị thủy lực và bảng cân bằng khối tích trữ tháo nước giúp các nhà hoạch định dễ dàng nhận diện các nút thắt cổ chai trên mạng lưới kênh trục.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm giải quyết triệt để tình trạng úng ngập và đáp ứng mục tiêu phát triển kinh tế bền vững đến năm 2030, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý trọng tâm:

  1. Hiện đại hóa công trình đầu mối và trạm bơm tiêu: Khôi phục và nâng cấp toàn diện Trạm bơm tiêu Hưng Châu đạt 100% công suất thiết kế bằng việc thay thế cụm bạc lót, bảo dưỡng động cơ 200 kW cho các tổ máy số 4, 6, 8 và thay thế tủ máy cắt 600A, đảm bảo duy trì tổng lưu lượng bơm ổn định 64.000 m3/h phục vụ tiêu úng cho 2.488 ha đất trũng. Sửa chữa dầm đỉnh cửa cung, thay thế ray định hướng cửa âu cống Bến Thủy và xử lý kín nước các cống 3A, 3B dưới đê kênh Vinh. Thời gian thực hiện: Giai đoạn 2026–2028. Cơ quan chủ trì: Công ty TNHH MTV Thủy lợi Nam Nghệ An phối hợp Ban Quản lý Dự án Nông nghiệp tỉnh.
  2. Xây dựng hệ thống 3 hồ điều hòa phân tán: Quy hoạch và thi công xây dựng 3 hồ điều hòa trữ lũ chậm tiêu tại các vùng trũng tự nhiên thuộc huyện Hưng Nguyên và vùng phụ cận thành phố Vinh, với tổng dung tích điều tiết đạt trên 3,50 triệu m3 nước. Mục tiêu cắt giảm 25% đến 30% lưu lượng đỉnh lũ chảy vào sông Cửa Tiền và kênh Gai. Thời gian thực hiện: Giai đoạn 2027–2030. Cơ quan chủ trì: Ủy ban nhân dân tỉnh Nghệ An và Sở Nông nghiệp & PTNT.
  3. Cải tạo, nạo vét và kiên cố hóa mạng lưới kênh tiêu cấp I: Tiến hành giải phóng mặt bằng, thanh thải đăng đó vật cản và nạo vét đồng bộ 23,23 km tuyến Kênh Thấp đảm bảo thông số mặt cắt đáy rộng 22,0 m đạt lưu lượng thiết kế 33,67 m3/s; nạo vét 13,46 km kênh Hoàng Cần và xử lý hiện tượng cát chảy chống sạt lở cho 11,48 km kênh Lam Trà. Thời gian thực hiện: Giai đoạn 2026–2029. Cơ quan chủ trì: Chi cục Thủy lợi Nghệ An và UBND các huyện liên quan.
  4. Thiết lập quy trình vận hành liên công trình thông minh: Ứng dụng hệ thống giám sát mực nước tự động SCADA kết nối mô hình thủy lực thời gian thực để điều hành đóng mở cụm cống Nghi Quang (lưu lượng xả tối đa 275 m3/s) và cống Bến Thủy theo nguyên tắc triệt để gạn triều tiêu úng, chủ động phân vùng tiêu giữa trạm bơm Hưng Châu và Hưng Lợi, bảo đảm thời gian ngập úng toàn hệ thống không quá 72 giờ đối với trận mưa tần suất 10%. Thời gian thực hiện: Giai đoạn 2028–2030. Cơ quan chủ trì: Sở Nông nghiệp & PTNT kết hợp Sở Khoa học & Công nghệ tỉnh Nghệ An.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho các nhóm đối tượng chuyên môn:

  • Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách thủy lợi: Sở Nông nghiệp & PTNT, Chi cục Thủy lợi tỉnh Nghệ An và các tỉnh Bắc Trung Bộ có thể sử dụng các chỉ số thủy lực và kịch bản sử dụng đất năm 2030 làm luận cứ khoa học để phê duyệt, điều chỉnh quy hoạch tiêu thoát lũ tổng thể toàn vùng.
  • Các đơn vị tư vấn thiết kế và quản lý khai thác công trình: Kỹ sư tại các công ty tư vấn xây dựng thủy lợi và Công ty Khai thác Thủy nông Nam Nghệ An có thể kế thừa bộ thông số nhám, điều kiện biên thủy lực đã kiểm định trên mô hình MIKE 11 để tính toán thiết kế chi tiết các dự án nâng cấp Kênh Thấp, kênh Hoàng Cần và xây mới trạm bơm.
  • Các viện nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Tài nguyên nước: Tài liệu cung cấp phương pháp luận chuẩn mực trong việc kết hợp chuỗi dữ liệu khí tượng thủy văn 30 năm với mô hình toán hiện đại nhằm giải quyết bài toán tiêu thoát úng đô thị – nông nghiệp dưới tác động kép của biến đổi khí hậu.
  • Chính quyền đô thị thành phố Vinh và các huyện phụ cận: Ban chỉ đạo Phòng chống thiên tai các địa phương Nam Đàn, Hưng Nguyên, Nghi Lộc, Cửa Lò có thể ứng dụng kịch bản phân vùng ngập úng để xây dựng phương án ứng phó ngập lụt cục bộ và cấp phép xây dựng hạ tầng đô thị hợp lý.

Câu hỏi thường gặp

Đặc điểm địa hình và thủy văn Nam Nghệ An gây ra những khó khăn gì cho công tác tiêu thoát nước?

Khu vực mang địa hình lòng chảo thấp dần về phía biển với nhiều dải trũng cục bộ chỉ có cao trình từ +0,50 m đến +1,50 m. Bên cạnh đó, mạng lưới sông ngòi chịu ảnh hưởng mạnh của chế độ bán nhật triều với biên độ tại Cửa Hội lên đến 3,10 m. Khi xảy ra mưa lớn trùng chân triều cao, mực nước ngoài sông Lam dâng cao làm mất khả năng tiêu tự chảy, gây áp lực ngập úng nặng nề cho nội đồng.

Vì sao nghiên cứu lại chọn chuỗi số liệu mưa 30 năm tại trạm khí tượng Vinh để tính toán tiêu thiết kế?

Trạm Vinh (tọa độ 18º40’B, 105º41’Đ) có vị trí đại diện trung tâm cho toàn vùng nghiên cứu và sở hữu chuỗi số liệu quan trắc liên tục, tin cậy từ 1985 đến 2014. Thống kê xác suất cho thấy mưa 3 ngày lớn nhất tại trạm này có tính chất bao phủ 80% các trận mưa lớn thời đoạn dài, phản ánh chính xác quy luật mưa lũ cực đoan tần suất 10% của khu vực Bắc Trung Bộ.

Nguyên nhân chính khiến Trạm bơm Hưng Châu không phát huy được hiệu quả tiêu úng trong thực tế là gì?

Trạm bơm Hưng Châu được xây dựng từ năm 1977, hiện có 3 trên 8 tổ máy bơm trục đứng DU-750 (công suất 200 kW mỗi máy) bị rơ ổ bi chịu lực và hỏng hệ thống đóng ngắt điện. Thêm vào đó, việc cống Hưng Nghĩa và cống 3A, 3B bị rò rỉ nước kết hợp lòng dẫn kênh tiêu bị bồi lắng khiến nước lũ dồn về bể hút vượt quá năng lực vận hành thực tế của trạm.

Mô hình thủy lực MIKE 11 đóng vai trò như thế nào trong việc lựa chọn giải pháp tiêu nước của luận văn?

MIKE 11 sử dụng thuật toán số trị giải hệ phương trình vi phân Saint-Venant 1 chiều, giúp mô phỏng chính xác chế độ dòng chảy không ổn định trên hơn 50 km kênh trục dưới tác động phức tạp của thủy triều và các công trình cống điều tiết. Đây là công cụ duy nhất giúp định lượng mức hạ thấp mực nước lũ từ 0,25 m đến 0,45 m khi áp dụng kịch bản xây dựng 3 hồ điều hòa.

Quá trình phát triển kinh tế – xã hội đến năm 2030 ảnh hưởng ra sao đến yêu cầu tiêu thoát nước của hệ thống?

Đến năm 2030, diện tích đất phi nông nghiệp và đô thị tăng 88,71% lên mức 7.893,00 ha làm gia tăng hệ số dòng chảy mặt lên 0,90. Việc san lấp các không gian trữ nước tự nhiên khiến lưu lượng đỉnh lũ tập trung nhanh hơn, làm tăng tổng nhu cầu tiêu thoát nước thêm khoảng 18% đến 25% so với hiện trạng năm 2016.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã đánh giá toàn diện hiện trạng mạng lưới thủy lợi Nam Nghệ An phục vụ 19.472 ha đất tự nhiên, chỉ rõ nguyên nhân ngập úng do suy giảm công suất công trình và bồi lắng kênh dẫn.
  • Lượng hóa thành công biến động sử dụng đất đến năm 2030 với diện tích phi nông nghiệp tăng 88,71% làm gia tăng mạnh hệ số dòng chảy mặt và nhu cầu tiêu úng toàn vùng.
  • Xây dựng và kiểm định thành công mô hình thủy lực một chiều MIKE 11 dựa trên chuỗi số liệu khí tượng thủy văn 30 năm và mô hình mưa tiêu thiết kế 3 ngày cực đại tần suất 10% (556,80 mm).
  • Chứng minh tính ưu việt của giải pháp quy hoạch 3 hồ điều hòa kết hợp nạo vét Kênh Thấp (23,23 km) và nâng cấp Trạm bơm Hưng Châu (64.000 m3/h), giúp hạ mực nước đỉnh lũ từ 0,25 m đến 0,45 m.
  • Xác lập lộ trình thực hiện đồng bộ các giải pháp công trình và phi công trình từ năm 2026 đến năm 2030 nhằm bảo đảm an toàn hạ tầng và phát triển kinh tế bền vững.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học tin cậy và bộ công cụ mô phỏng thủy lực chuẩn xác, hỗ trợ đắc lực cho tỉnh Nghệ An trong công tác quy hoạch trị thủy. Các cơ quan quản lý và đơn vị khai thác thủy nông cần sớm bố trí nguồn vốn đầu tư giai đoạn 2026–2030 để triển khai thực địa các hạng mục nạo vét kênh mương và xây dựng hồ điều hòa, góp phần hiện thực hóa mục tiêu đưa Nam Nghệ An phát triển thịnh vượng và an toàn trước biến đổi khí hậu.