Tổng quan nghiên cứu

Vùng Nam Hưng Nghĩ, tỉnh Nghệ An, là một trong những khu vực phát triển kinh tế trọng điểm với diện tích lúa nước lớn nhất tỉnh. Với địa hình thấp, gần biển và chịu ảnh hưởng mạnh của bão, vùng này thường xuyên bị ngập úng vào mùa mưa lũ, gây thiệt hại nghiêm trọng cho sản xuất nông nghiệp và đời sống dân cư. Theo báo cáo, lượng mưa trung bình hàng năm tại vùng nghiên cứu dao động từ 1800 đến 2043 mm, tập trung chủ yếu vào các tháng mùa mưa từ tháng 6 đến tháng 10, chiếm khoảng 74% tổng lượng mưa năm. Biến đổi khí hậu làm gia tăng lượng mưa từ 5-10% vào năm 2050, đồng thời mực nước biển dâng cao làm giảm hiệu quả tiêu thoát nước tự chảy, gây áp lực lớn lên hệ thống thủy lợi hiện có.

Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất các giải pháp tiêu úng phù hợp cho vùng Nam Hưng Nghĩ trong điều kiện biến đổi khí hậu nhằm đảm bảo phát triển kinh tế xã hội và sản xuất nông nghiệp bền vững. Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ diện tích tự nhiên khoảng 71.447 ha thuộc các huyện Nam Đàn, Hưng Nguyên, Nghĩ Lộc và thành phố Vinh, với thời gian khảo sát và mô phỏng từ các trận lũ lịch sử năm 1978, 1988 đến dự báo năm 2050 theo kịch bản biến đổi khí hậu RCP 4.5. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao năng lực quản lý, vận hành hệ thống thủy lợi, giảm thiểu thiệt hại do ngập úng và thích ứng với biến đổi khí hậu tại vùng đồng bằng ven biển.

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 văn, thủy lực hiện đại để phân tích và mô phỏng quá trình ngập úng và tiêu thoát nước. Hai mô hình chính được áp dụng là:

  • Mô hình thủy văn mưa - dòng chảy NAM (Nedbor - Afstromming - Model): Mô hình này mô phỏng quá trình chuyển hóa lượng mưa thành dòng chảy trên lưu vực, sử dụng cấu trúc bể chứa đa tầng để phản ánh trạng thái ẩm đất và dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm. NAM đã được hiệu chỉnh và kiểm định cho lưu vực sông Cả, phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới tại Việt Nam.

  • Mô hình thủy lực MIKE 11: Đây là mô hình thủy lực một chiều dùng để mô phỏng dòng chảy, mực nước và vận chuyển bùn cát trong hệ thống sông, kênh và công trình thủy lợi. MIKE 11 giải hệ phương trình Saint-Venant, cho phép mô phỏng chi tiết các quá trình thủy lực trong hệ thống tiêu thoát nước.

Các khái niệm chính bao gồm: vùng tiêu (vùng cần tiêu thoát nước), phân vùng tiêu theo lưu vực sông và công trình tiêu, vùng tiêu tự chảy, vùng tiêu động lực (cần trạm bơm), và vùng tiêu hỗn hợp. Ngoài ra, các nguyên tắc phân vùng tiêu dựa trên địa hình, lưu vực sông, hiện trạng công trình và quản lý hành chính cũng được áp dụng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu bao gồm:

  • Số liệu địa hình DEM độ phân giải 30x30m, bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25.000.
  • Số liệu mặt cắt ngang sông với 97 mặt cắt, số liệu dòng chảy và mực nước thực đo các trận lũ năm 1978, 1988.
  • Số liệu khí tượng thủy văn gồm lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm, bốc hơi tại các trạm trong vùng.
  • Tài liệu quy hoạch thủy lợi, kinh tế xã hội và các báo cáo biến đổi khí hậu của Bộ Tài nguyên và Môi trường.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Điều tra, khảo sát thực địa để đánh giá hiện trạng hệ thống tiêu thoát nước và tình hình ngập úng.
  • Thống kê, tổng hợp số liệu ngập lụt lịch sử và phân tích xu hướng biến đổi khí hậu.
  • Mô hình hóa thủy văn và thủy lực bằng phần mềm MIKE 11 kết hợp mô hình NAM để tính toán lượng nhập lưu, mô phỏng dòng chảy và mực nước trong hệ thống.
  • Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình dựa trên số liệu thực đo để đảm bảo độ chính xác.
  • Phân vùng tiêu theo lưu vực sông và công trình tiêu, xác định các vùng tiêu tự chảy, động lực và hỗn hợp.
  • Lựa chọn kịch bản biến đổi khí hậu RCP 4.5 để mô phỏng tình huống tương lai năm 2050.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ khảo sát hiện trạng, thu thập số liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh, mô phỏng đến đề xuất giải pháp trong khoảng thời gian từ năm 2018 đến 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng ngập úng và năng lực tiêu thoát nước: Vùng Nam Hưng Nghĩ có tổng diện tích cần tiêu khoảng 71.447 ha, trong đó có 7 vùng tiêu chính với diện tích từ 6.000 đến 17.483 ha mỗi vùng. Hệ thống thủy lợi hiện có gồm 95 hồ chứa, 236 trạm bơm, 925,98 km kênh mương, trong đó 471,66 km đã được kiên cố. Tuy nhiên, nhiều tuyến kênh tiêu cấp 1 và nội đồng chưa được kiên cố, xuống cấp, bị bồi lắng và có nhiều chướng ngại vật, làm giảm khả năng tiêu thoát nước. Một số trạm bơm không đáp ứng được lưu lượng thiết kế do công trình cũ và tắc nghẽn dòng chảy.

  2. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu: Theo kịch bản RCP 4.5, lượng mưa trung bình năm tại vùng nghiên cứu dự kiến tăng từ 5-10% vào năm 2050, với lượng mưa ngày lớn nhất tăng từ 10-70%. Mực nước biển dâng cao làm giảm thời gian tiêu tự chảy do triều thấp kéo dài ngắn lại, gây khó khăn cho việc tiêu thoát nước tự nhiên. Kết quả mô phỏng cho thấy thời gian và độ sâu ngập úng có xu hướng tăng, đặc biệt trong các tháng mùa mưa và các trận lũ lớn tương tự năm 1988.

  3. Phân vùng tiêu và yêu cầu tiêu thoát nước: Vùng tiêu Kênh Thấp có diện tích lớn nhất (17.483 ha) với phần lớn diện tích tiêu tự chảy, nhưng vẫn có khoảng 502 ha cần tiêu động lực. Vùng tiêu Hưng Châu - Hưng Lợi chủ yếu tiêu động lực với diện tích 4.882 ha, cần trạm bơm hoạt động hiệu quả. Các vùng tiêu khác như Kênh Gai, Khe Cái, Sông Cắm, Thượng Xá và Nghĩ Lộc có đặc điểm tiêu tự chảy hoặc hỗn hợp, yêu cầu giải pháp tiêu thoát nước đa dạng.

  4. Hiệu quả mô hình MIKE 11 và NAM: Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định với sai số theo chỉ tiêu Nash-Sutcliffe đạt giá trị cao, phản ánh chính xác quá trình dòng chảy và mực nước thực tế. Mô hình cho phép đánh giá chi tiết các phương án tiêu thoát nước, dự báo ngập úng trong các kịch bản biến đổi khí hậu, hỗ trợ ra quyết định quản lý hệ thống thủy lợi.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính gây ngập úng là do địa hình thấp, nhiều vùng lòng chảo, hệ thống kênh tiêu chưa đồng bộ và xuống cấp, kết hợp với tác động gia tăng lượng mưa và mực nước biển dâng do biến đổi khí hậu. So với các nghiên cứu trước đây, luận văn đã bổ sung phân tích chi tiết về nhu cầu tiêu thoát nước theo từng vùng tiêu, đồng thời áp dụng mô hình thủy lực hiện đại để mô phỏng chính xác hơn.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ đường quá trình mực nước tại các vị trí trọng yếu, bản đồ phân vùng tiêu và bản đồ độ sâu ngập úng theo các kịch bản khác nhau. Bảng tổng hợp diện tích tiêu tự chảy và tiêu động lực theo vùng tiêu giúp minh họa rõ ràng yêu cầu đầu tư công trình.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho việc quy hoạch, nâng cấp và vận hành hệ thống tiêu thoát nước vùng Nam Hưng Nghĩ, góp phần giảm thiểu thiệt hại do ngập úng, bảo vệ sản xuất nông nghiệp và phát triển kinh tế xã hội bền vững trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp và kiên cố hóa hệ thống kênh tiêu: Tiến hành nạo vét, kiên cố hóa khoảng 471,66 km kênh mương hiện có, đặc biệt các tuyến kênh cấp 1 và nội đồng bị bồi lắng, tắc nghẽn. Mục tiêu tăng khả năng tiêu thoát nước tự chảy, giảm thiểu ngập úng trong mùa mưa. Thời gian thực hiện trong 3-5 năm, do Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn phối hợp với các địa phương.

  2. Xây dựng và nâng cấp trạm bơm tiêu động lực: Đầu tư cải tạo, nâng công suất các trạm bơm hiện có, đặc biệt tại vùng tiêu Hưng Châu - Hưng Lợi và các vùng tiêu động lực khác với diện tích khoảng 5.000 ha. Đồng thời xây dựng mới các trạm bơm tại các điểm ngập úng nghiêm trọng. Mục tiêu đảm bảo tiêu thoát nước kịp thời trong các trận mưa lớn và lũ lụt. Thời gian thực hiện 5 năm, do Công ty TNHH MTV Thủy lợi Nam quản lý.

  3. Áp dụng công nghệ mô hình hóa và quản lý thông minh: Sử dụng phần mềm mô hình thủy lực MIKE 11 để theo dõi, dự báo mực nước và lưu lượng, hỗ trợ vận hành hệ thống tiêu thoát nước hiệu quả. Xây dựng hệ thống cảnh báo sớm ngập úng dựa trên dữ liệu mô hình và quan trắc thực tế. Thời gian triển khai trong 2 năm, do Trung tâm Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước chủ trì.

  4. Tuyên truyền nâng cao nhận thức và quản lý môi trường: Tăng cường công tác tuyên truyền, giáo dục ý thức bảo vệ môi trường, không xả rác bừa bãi làm tắc nghẽn kênh mương. Xây dựng chính sách thu hút sự tham gia của cộng đồng trong quản lý và bảo vệ hệ thống thủy lợi. Thời gian liên tục, do các cấp chính quyền địa phương phối hợp với các tổ chức xã hội.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách thủy lợi: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật để nâng cao hiệu quả quản lý hệ thống tiêu thoát nước, thích ứng với biến đổi khí hậu, hỗ trợ xây dựng các kế hoạch phát triển bền vững.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia kỹ thuật tài nguyên nước: Tài liệu chi tiết về mô hình hóa thủy văn, thủy lực, phân vùng tiêu và thiết kế công trình tiêu thoát nước giúp chuyên gia áp dụng vào thực tiễn quy hoạch và vận hành hệ thống thủy lợi.

  3. Các nhà nghiên cứu về biến đổi khí hậu và phát triển nông nghiệp: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu, phân tích tác động biến đổi khí hậu đến ngập úng và sản xuất nông nghiệp, hỗ trợ các nghiên cứu liên ngành về thích ứng và giảm thiểu rủi ro thiên tai.

  4. Cộng đồng nông dân và các tổ chức phát triển nông thôn: Thông tin về giải pháp tiêu úng giúp nâng cao nhận thức, cải thiện điều kiện sản xuất, giảm thiểu thiệt hại do ngập úng, từ đó tăng năng suất và thu nhập.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao vùng Nam Hưng Nghĩ lại dễ bị ngập úng?
    Vùng có địa hình thấp, nhiều vùng lòng chảo, hệ thống kênh tiêu chưa đồng bộ và xuống cấp, kết hợp với lượng mưa lớn và mực nước biển dâng do biến đổi khí hậu, làm giảm khả năng tiêu thoát nước tự nhiên.

  2. Mô hình MIKE 11 và NAM có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    MIKE 11 mô phỏng chi tiết dòng chảy và mực nước trong hệ thống thủy lợi, trong khi NAM tính toán lượng nhập lưu từ mưa. Sự kết hợp giúp mô phỏng chính xác quá trình ngập úng và hiệu quả các giải pháp tiêu thoát nước.

  3. Giải pháp tiêu úng nào được ưu tiên thực hiện?
    Nâng cấp hệ thống kênh tiêu và trạm bơm là ưu tiên hàng đầu để tăng khả năng tiêu thoát nước, giảm ngập úng, đồng thời áp dụng công nghệ mô hình hóa để quản lý hiệu quả.

  4. Biến đổi khí hậu ảnh hưởng thế nào đến hệ thống tiêu thoát nước?
    Lượng mưa tăng và mực nước biển dâng làm tăng nguy cơ ngập úng, giảm thời gian tiêu tự chảy, đòi hỏi hệ thống tiêu thoát nước phải được nâng cấp và vận hành linh hoạt hơn.

  5. Ai là chủ thể chịu trách nhiệm chính trong việc thực hiện các giải pháp?
    Các cơ quan quản lý thủy lợi, chính quyền địa phương, các đơn vị vận hành trạm bơm và cộng đồng dân cư đều có vai trò phối hợp để triển khai và duy trì hiệu quả các giải pháp tiêu úng.

Kết luận

  • Vùng Nam Hưng Nghĩ có nguy cơ ngập úng cao do đặc điểm địa hình thấp, hệ thống tiêu thoát nước xuống cấp và tác động của biến đổi khí hậu.
  • Lượng mưa dự kiến tăng 5-10% và mực nước biển dâng làm gia tăng nhu cầu tiêu thoát nước, đặc biệt trong các tháng mùa mưa và các trận lũ lớn.
  • Mô hình thủy văn NAM và mô hình thủy lực MIKE 11 được hiệu chỉnh chính xác, hỗ trợ đánh giá hiện trạng và dự báo ngập úng trong các kịch bản tương lai.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cấp kênh tiêu, trạm bơm, áp dụng công nghệ mô hình hóa và tăng cường quản lý môi trường nhằm giảm thiểu ngập úng và bảo vệ sản xuất nông nghiệp.
  • Khuyến nghị các bước tiếp theo gồm triển khai thực hiện các giải pháp kỹ thuật, xây dựng hệ thống cảnh báo sớm và nâng cao nhận thức cộng đồng để thích ứng hiệu quả với biến đổi khí hậu.

Hành động ngay hôm nay để bảo vệ vùng Nam Hưng Nghĩ trước thách thức ngập úng và biến đổi khí hậu là cần thiết cho sự phát triển bền vững của tỉnh Nghệ An.