I. Khám phá Hệ thống tiêu Bắc Nam Hà và vai trò chiến lược
Hệ thống tiêu Bắc Nam Hà (BNH) là một trong những công trình thủy lợi Bắc Nam Hà quy mô lớn và quan trọng bậc nhất tại Việt Nam. Hệ thống này có nhiệm vụ tiêu thoát nước cho diện tích lên tới 85.326 ha, bao trùm vùng đồng chiêm trũng của hai tỉnh Nam Định và Hà Nam. Trước khi có hệ thống, khu vực này thường xuyên phải đối mặt với tình trạng ngập úng nghiêm trọng, chỉ một trận mưa 150mm cũng đủ gây lụt lội kéo dài, ảnh hưởng nặng nề đến đời sống và sản xuất. Sự ra đời của hệ thống với các trạm bơm lớn như Như Trác, Hữu Bị, Cốc Thành đã thay đổi căn bản diện mạo kinh tế - xã hội của vùng. Nó không chỉ giúp bảo vệ sản xuất nông nghiệp mà còn tạo nguồn cấp nước sinh hoạt cho khoảng 1,2 triệu dân và các khu công nghiệp. Trải qua hơn 50 năm vận hành và nhiều lần nâng cấp, hệ thống BNH đã trở thành lá chắn vững chắc, một giải pháp cốt lõi trong việc quản lý rủi ro thiên tai và đảm bảo an ninh nguồn nước cho cả một vùng rộng lớn thuộc lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy. Vai trò của hệ thống ngày càng trở nên quan trọng trong bối cảnh thời tiết cực đoan do biến đổi khí hậu gây ra.
1.1. Lịch sử hình thành và quá trình phát triển của hệ thống
Trong giai đoạn 1960 - 1970, đối mặt với thực trạng “sống ngâm da, chết ngâm xương” của người dân vùng đồng chiêm, Nhà nước đã đầu tư xây dựng 6 trạm bơm điện lớn gồm: Như Trác, trạm bơm Hữu Bị, trạm bơm Cốc Thành, Cổ Đam, Vĩnh Trị và Nhâm Tràng. Tổng lưu lượng bơm tiêu ban đầu đạt 220 m3/s, tương ứng hệ số tiêu 2,9 l/s/ha. Công trình này bước đầu giải quyết thành công tình trạng ngập úng, giúp mở rộng đáng kể diện tích canh tác lúa vụ mùa. Trải qua hơn nửa thế kỷ, hệ thống liên tục được quy hoạch và bổ sung. Các trạm bơm mới như Nhân Hòa, Vĩnh Trị 2, Sông Chanh đã được xây dựng, nâng tổng lưu lượng bơm lên 350,49 m3/s và hệ số tiêu đạt 4,67 l/s/ha. Quá trình này thể hiện sự nỗ lực không ngừng của Bộ Nông nghiệp và PTNT trong việc hiện đại hóa hệ thống thủy lợi, đáp ứng nhu cầu phát triển của khu vực.
1.2. Hiện trạng vận hành và các công trình đầu mối chủ chốt
Hiện nay, vận hành hệ thống tiêu BNH dựa trên một mạng lưới phức tạp gồm 15 trạm bơm lớn và 477 trạm bơm nội đồng. Tuy nhiên, nhiều công trình đầu mối được xây dựng từ lâu đã xuống cấp. Các máy móc, thiết bị tại các trạm bơm lớn như Vĩnh Trị I, Cổ Đam chỉ đạt khoảng 75-80% công suất thiết kế. Hệ thống kênh trục dẫn nước bị bồi lấp nghiêm trọng, có những tuyến kênh chưa được nạo vét từ năm 1964, làm hạn chế đáng kể năng lực tiêu thoát lũ. Các cống điều tiết then chốt như An Bài, Mỹ Đô, Cánh Gà cũng đã cũ và hoạt động kém hiệu quả. Thực trạng này đặt ra yêu cầu cấp thiết phải có các nghiên cứu khoa học để đánh giá lại toàn bộ hệ thống và đề xuất các giải pháp nâng cấp, sửa chữa nhằm đảm bảo an toàn hồ đập và hiệu quả tiêu thoát nước trong tình hình mới.
II. Thách thức ngập úng BĐKH tại lưu vực sông Nhuệ Đáy
Mặc dù đã được đầu tư nâng cấp, hệ thống tiêu Bắc Nam Hà đang đối mặt với những thách thức chưa từng có, khiến tình trạng ngập úng ngày càng trở nên khốc liệt. Nguyên nhân sâu xa đến từ sự cộng hưởng của nhiều yếu tố. Quá trình phát triển kinh tế - xã hội, đô thị hóa và công nghiệp hóa nhanh chóng đã làm thay đổi cơ cấu sử dụng đất, san lấp ao hồ, giảm khả năng trữ nước tự nhiên. Đồng thời, tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu (BĐKH) và nước biển dâng (NBD) ngày càng rõ rệt. Các trận mưa với cường độ lớn và tần suất cao hơn, kết hợp với mực nước các sông bao quanh như sông Hồng, sông Đáy luôn ở mức cao trong mùa lũ, đã tạo ra áp lực khổng lồ lên toàn bộ hệ thống. Sự mất cân đối nghiêm trọng giữa năng lực tiêu thoát lũ hiện có và nhu cầu tiêu ngày càng tăng đã trở thành bài toán nan giải. Nếu không có những giải pháp đột phá, nguy cơ ngập lụt trên diện rộng, gây thiệt hại lớn về kinh tế và đời sống người dân là điều khó tránh khỏi, đe dọa đến mục tiêu phát triển kinh tế xã hội bền vững.
2.1. Phân tích nguyên nhân suy giảm năng lực tiêu thoát nước
Năng lực tiêu của hệ thống BNH suy giảm do hai nhóm nguyên nhân chính. Thứ nhất là sự xuống cấp của cơ sở hạ tầng. Sau hơn 50 năm vận hành, các trạm bơm lớn, kênh mương và cống điều tiết đều đã cũ kỹ, hiệu suất hoạt động thấp, không còn đảm bảo công suất thiết kế. Các tuyến kênh tiêu bị bồi lấp, lấn chiếm làm giảm mặt cắt thoát lũ. Báo cáo nghiên cứu chỉ ra rằng cao trình đáy kênh thực tế cao hơn thiết kế từ 1-2m ở nhiều nơi. Thứ hai là sự thay đổi trong lưu vực. Diện tích công nghiệp, đô thị tăng nhanh, bề mặt không thấm nước mở rộng làm gia tăng lượng nước cần tiêu. Việc san lấp ao hồ tự nhiên đã làm mất đi không gian trữ nước quan trọng, khiến hệ thống phải chịu tải ngay lập tức sau mỗi trận mưa, dẫn đến quá tải và gây ngập úng cục bộ thường xuyên.
2.2. Tác động từ thời tiết cực đoan và hiện tượng nước biển dâng
Biến đổi khí hậu đang làm gia tăng tần suất và cường độ của các hiện tượng thời tiết cực đoan. Các trận mưa lớn với tổng lượng mưa trong 5 ngày vượt ngưỡng thiết kế xuất hiện ngày càng nhiều. Theo các kịch bản BĐKH, tổng lượng mưa 5 ngày lớn nhất có thể tăng từ 7-9% vào năm 2050. Bên cạnh đó, hiện tượng nước biển dâng làm tăng mực nước trên các triền sông như sông Hồng, sông Đáy, sông Đào. Điều này làm giảm chênh lệch cột nước, gây khó khăn cho việc tiêu tự chảy và tăng cột nước bơm, tiêu tốn nhiều năng lượng hơn cho các trạm bơm động lực. Khi mực nước sông ngoài đạt mức báo động 3, một số trạm bơm như Như Trác, Hữu Bị phải ngừng hoạt động, làm giảm đáng kể khả năng tiêu của toàn hệ thống, khiến tình trạng ngập úng thêm trầm trọng.
III. Phương pháp đánh giá năng lực tiêu úng của hệ thống BNH
Để đề xuất giải pháp hiệu quả, việc đánh giá chính xác năng lực hiện tại và nhu cầu tiêu trong tương lai của hệ thống BNH là bước đi tiên quyết. Nghiên cứu đã áp dụng một cách tiếp cận khoa học và toàn diện, kết hợp nhiều phương pháp hiện đại. Trọng tâm của phương pháp này là xây dựng các mô hình mưa tiêu thiết kế dựa trên chuỗi số liệu quan trắc nhiều năm, từ đó tính toán hệ số tiêu yêu cầu cho từng loại hình sử dụng đất khác nhau như nông nghiệp, đô thị, công nghiệp. Tiếp theo, mô hình toán thủy lực SWMM5.0 được sử dụng để mô phỏng toàn bộ hệ thống, từ các tiểu lưu vực, kênh dẫn đến hoạt động của các trạm bơm và cống điều tiết. Cách tiếp cận này cho phép đánh giá một cách định lượng năng lực tiêu thoát lũ của hệ thống trong các kịch bản mưa và mực nước sông khác nhau. Kết quả phân tích không chỉ chỉ ra các điểm yếu, các khu vực thường xuyên ngập úng mà còn là cơ sở khoa học vững chắc để cân bằng nước và quy hoạch các giải pháp cải tạo, nâng cấp cho dự án tiêu thoát nước này.
3.1. Ứng dụng mô hình SWMM5.0 để mô phỏng hệ thống thủy lực
Mô hình SWMM5.0 (Storm Water Management Model) được lựa chọn vì khả năng mô phỏng động lực học dòng chảy một cách chi tiết. Nghiên cứu đã số hóa toàn bộ mạng lưới kênh tiêu, các công trình đầu mối và phân chia lưu vực thành 64 ô tiêu cơ bản. Các thông số đầu vào như đặc điểm địa hình, mặt cắt kênh, đường đặc tính của trạm bơm được thu thập và hiệu chỉnh. Mô hình cho phép mô phỏng diễn biến mực nước và lưu lượng tại mọi vị trí trong hệ thống theo thời gian thực dưới tác động của các trận mưa thiết kế. Kết quả mô phỏng giúp xác định chính xác các vị trí bị quá tải, các “nút thắt cổ chai” trong hệ thống và đánh giá được hiệu quả của việc vận hành hệ thống tiêu theo các quy trình khác nhau.
3.2. Cách tính hệ số tiêu thiết kế cho các đối tượng khác nhau
Nhu cầu tiêu của hệ thống được xác định thông qua hệ số tiêu thiết kế (l/s/ha). Dựa trên tiêu chuẩn TCVN 10406:2015, nghiên cứu đã tính toán hệ số tiêu cho từng đối tượng cụ thể. Đối với lúa, hệ số tiêu được tính toán dựa trên khả năng chịu ngập cho phép. Đối với các khu đô thị, công nghiệp, hệ số này cao hơn do yêu cầu tiêu nhanh. Kết quả tính toán cho thấy, hệ số tiêu yêu cầu bình quân toàn hệ thống trong giai đoạn hiện tại là 9,33 l/s/ha. Con số này cao hơn gấp đôi so với hệ số tiêu hiện có của hệ thống (4,67 l/s/ha). Sự chênh lệch này đã định lượng rõ ràng nguyên nhân cốt lõi gây ra tình trạng ngập úng thường xuyên, khẳng định sự cấp thiết phải nâng cao năng lực tiêu thoát lũ.
IV. Top giải pháp khoa học nâng cao hiệu quả hệ thống tiêu BNH
Dựa trên kết quả đánh giá toàn diện, nghiên cứu đã đề xuất một hệ thống các giải pháp khoa học nhằm nâng cao năng lực và hiệu quả của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà, hướng tới mục tiêu thích ứng biến đổi khí hậu. Các giải pháp này không chỉ tập trung vào việc xây mới hay nâng cấp công trình một cách đơn thuần, mà còn tối ưu hóa thiết kế và vận hành dựa trên cơ sở kinh tế - kỹ thuật. Một trong những đột phá là phương pháp xác định tần suất mực nước sông thiết kế hợp lý, giúp giảm thiểu tổng chi phí đầu tư và quản lý vận hành trạm bơm. Bên cạnh đó, giải pháp quy hoạch các hồ điều hòa đa mục tiêu được xem là một hướng đi bền vững, giúp trữ lại một phần lượng nước mưa, giảm áp lực cho hệ thống tiêu vào thời gian cao điểm. Các giải pháp này khi được đồng bộ hóa sẽ tạo ra một hệ thống linh hoạt, có khả năng chống chịu tốt hơn trước các thách thức từ BĐKH, góp phần giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt và ổn định phát triển.
4.1. Tối ưu hóa tần suất mực nước sông để thiết kế trạm bơm
Theo quy chuẩn hiện hành, các trạm bơm tiêu thường được thiết kế với tần suất mực nước sông P=10%, dẫn đến cột nước thiết kế cao, gây lãng phí điện năng trong phần lớn thời gian vận hành. Luận án đã xây dựng phương pháp luận khoa học để xác định tần suất mực nước sông thiết kế tối ưu, dựa trên việc cân bằng giữa chi phí xây dựng và chi phí quản lý vận hành. Kết quả cho thấy, việc lựa chọn tần suất P=50% hoặc một giá trị tối ưu khác có thể giúp máy bơm hoạt động trong vùng hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng đáng kể mà vẫn đảm bảo an toàn tiêu. Đây là một cơ sở khoa học quan trọng cho việc thiết kế các trạm bơm mới và cải tạo các trạm bơm hiện hữu trong dự án tiêu thoát nước của vùng.
4.2. Xây dựng hồ điều hòa đa mục tiêu giảm áp lực tiêu thoát
Nghiên cứu đã xây dựng mối quan hệ định lượng giữa hệ số tiêu với tỷ lệ diện tích ao hồ và chiều sâu trữ nước. Kết quả này là cơ sở để quy hoạch các hồ điều hòa đa mục tiêu. Thay vì chỉ tập trung bơm nước ra sông ngay lập tức, các hồ này có chức năng trữ lại lượng nước mưa trong những ngày mưa lớn, sau đó tiêu dần vào những ngày tiếp theo. Giải pháp này không chỉ giúp giảm đỉnh lũ, giảm yêu cầu về công suất trạm bơm mà còn tạo cảnh quan, cải thiện môi trường và có thể kết hợp nuôi trồng thủy sản, mang lại lợi ích kép. Việc quy hoạch hợp lý các hồ điều hòa là một giải pháp quan trọng để thích ứng biến đổi khí hậu một cách bền vững.
4.3. Nâng cấp hiện đại hóa hệ thống kênh mương và cống điều tiết
Bên cạnh các giải pháp dài hạn, việc cải tạo, nạo vét hệ thống kênh trục chính như sông Sắt, sông Châu là nhiệm vụ cấp bách để giải quyết các điểm nghẽn dòng chảy. Đồng thời, cần sửa chữa, nâng cấp và tự động hóa các cống điều tiết then chốt để việc vận hành hệ thống tiêu trở nên linh hoạt và hiệu quả hơn, đặc biệt trong việc điều tiết, hỗ trợ tiêu giữa các lưu vực. Việc hiện đại hóa hệ thống thủy lợi này sẽ nâng cao đáng kể năng lực tiêu thoát lũ tổng thể, đáp ứng yêu cầu phòng chống thiên tai trong tình hình mới, đặc biệt là tại vùng đồng bằng Bắc Bộ.
V. Ý nghĩa thực tiễn từ nghiên cứu cho dự án tiêu thoát nước
Các kết quả của đề tài nghiên cứu về hệ thống tiêu Bắc Nam Hà mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn, vượt ra ngoài phạm vi một công trình học thuật. Về mặt khoa học, luận án đã cung cấp một phương pháp luận mới trong việc xác định tần suất mực nước sông thiết kế tối ưu cho trạm bơm tiêu, một vấn đề còn nhiều tranh cãi trong thực tế. Về mặt thực tiễn, các kết quả đánh giá và đề xuất giải pháp là cơ sở khoa học vững chắc để Bộ Nông nghiệp và PTNT cũng như các địa phương liên quan xây dựng quy hoạch, kế hoạch đầu tư nâng cấp hệ thống. Việc áp dụng các giải pháp này sẽ trực tiếp nâng cao hiệu quả phòng chống ngập úng, bảo vệ sản xuất nông nghiệp cho hàng chục nghìn hecta đất canh tác, đảm bảo an toàn đời sống cho hơn một triệu người dân. Đây là một đóng góp quan trọng, giúp hệ thống BNH thực sự trở thành công cụ đắc lực trong quản lý rủi ro thiên tai và hướng tới phát triển kinh tế xã hội bền vững.
5.1. Nền tảng quy hoạch nâng cấp trạm bơm Cốc Thành Hữu Bị
Các phân tích chi tiết về năng lực và nhu cầu tiêu của từng lưu vực là dữ liệu đầu vào quan trọng cho việc quy hoạch nâng cấp các công trình cụ thể. Ví dụ, đối với các trạm bơm lớn và lâu đời như trạm bơm Cốc Thành hay trạm bơm Hữu Bị, kết quả nghiên cứu giúp xác định chính xác công suất cần bổ sung, phương án cải tạo tối ưu và quy trình vận hành liên hoàn hiệu quả. Việc áp dụng phương pháp xác định cột nước thiết kế mới sẽ giúp các dự án này tiết kiệm chi phí đầu tư và vận hành, nâng cao hiệu quả kinh tế tổng thể.
5.2. Đóng góp vào chiến lược an ninh nguồn nước và nông nghiệp
Việc giải quyết hiệu quả bài toán tiêu úng cho vùng BNH không chỉ là giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt mà còn góp phần quan trọng vào việc đảm bảo an ninh nguồn nước và an ninh lương thực. Khi sản xuất nông nghiệp ổn định, không còn bị đe dọa bởi ngập úng, đời sống người dân được cải thiện, tạo đà cho các hoạt động kinh tế khác phát triển. Các giải pháp đề xuất, đặc biệt là việc xây dựng hồ điều hòa, còn giúp trữ nước, bổ sung nguồn nước ngầm, ứng phó tốt hơn với cả hạn hán, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành nông nghiệp trong bối cảnh BĐKH.
