I. Tổng quan về biến đổi khí hậu và hệ thống thủy nông Xuân Thủy
Biến đổi khí hậu tác động mạnh đến tài nguyên nước tại đồng bằng sông Hồng. Hệ thống thủy nông Xuân Thủy thuộc tỉnh Nam Định nằm trong vùng chịu ảnh hưởng trực tiếp. Khu vực này bao gồm hai huyện Xuân Trường và Giao Thủy với tổng diện tích canh tác lớn. Địa hình thấp, cao trình phổ biến từ +0,7 đến +1,1m so với mực nước biển. Vùng ven biển có cao trình chỉ đạt +0,2 đến +0,4m. Khi mực nước biển dâng, phần lớn diện tích có nguy cơ ngập úng. Theo kịch bản B2 do Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành năm 2012, nhiệt độ tăng dần và lượng mưa phân bố không đều hơn. Nhu cầu nước tưới cho nông nghiệp thay đổi đáng kể. Hệ thống công trình thủy lợi hiện hữu cần được đánh giá lại năng lực phục vụ. Luận văn thạc sĩ của tác giả Lê Ngọc Sơn, Trường Đại học Thủy lợi năm 2016, đặt nền tảng phân tích khoa học cho vấn đề cấp bách này. Đây là nghiên cứu quan trọng phục vụ quy hoạch thủy lợi vùng ven biển Nam Định trong bối cảnh khí hậu thay đổi.
1.1. Đặc điểm địa hình và vị trí hệ thống thủy nông Xuân Thủy
Hệ thống thủy nông Xuân Thủy nằm ở phía đông nam tỉnh Nam Định. Vùng phía bắc sông Ngô Đồng thuộc huyện Xuân Trường có cao trình phổ biến từ +0,5 đến +0,8m. Các xã ven sông Hồng và sông Ninh Cơ như Xuân Châu, Xuân Hồng, Xuân Thành có cao trình từ +0,9 đến +1,1m. Vùng phía nam sông Ngô Đồng thuộc huyện Giao Thủy có địa hình dốc thoải từ tây bắc xuống đông nam. Cồn Cát phía nam huyện Giao Thủy đạt cao trình +2,0 đến +2,5m. Vùng sát biển chỉ đạt +0,2 đến +0,4m, rất dễ bị ngập khi triều cường. Lịch sử từ thời Lý đã phải xây đê ngăn mặn bảo vệ đồng ruộng.
1.2. Bối cảnh biến đổi khí hậu tại vùng đồng bằng Bắc Bộ
Theo kịch bản biến đổi khí hậu Việt Nam năm 2012, vùng đồng bằng Bắc Bộ đối mặt với ba kịch bản phát thải: B1 thấp, B2 trung bình và A2 cao. Kịch bản B2 được khuyến nghị làm định hướng cho các địa phương. Nhiệt độ trung bình tăng từ 1,5 đến 2,5°C vào cuối thế kỷ 21. Mực nước biển dâng từ 66 đến 95cm dọc bờ biển Việt Nam. Nếu nước biển dâng 1m, trên 10% diện tích đồng bằng sông Hồng và Quảng Ninh sẽ ngập. Trên 9% dân số vùng này bị ảnh hưởng trực tiếp. Hạ tầng giao thông và thủy lợi đứng trước nguy cơ suy giảm nghiêm trọng về hiệu quả phục vụ.
II. Phân tích ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến nhu cầu nước nông nghiệp
Biến đổi khí hậu làm thay đổi chế độ mưa và bốc thoát hơi nước. Nhiệt độ tăng cao dẫn đến cây trồng cần nhiều nước hơn để duy trì sinh trưởng. Tại hệ thống thủy nông Xuân Thủy, diện tích lúa chiếm tỷ lệ lớn trong cơ cấu cây trồng. Nhu cầu nước tưới cho lúa vụ xuân và vụ mùa đều tăng. Lượng mưa phân bố không đều theo mùa tạo ra những thời đoạn thiếu nước kéo dài. Mùa khô ngày càng gay gắt hơn, mùa mưa xuất hiện những trận mưa cực đoan tập trung. Xâm nhập mặn từ biển vào sâu hơn do mực nước biển dâng và lưu lượng sông giảm vào mùa kiệt. Nguồn nước ngọt phục vụ tưới bị thu hẹp đáng kể. Các công trình đầu mối như cống Xuân Thủy phải vận hành trong điều kiện khắc nghiệt hơn. Cân bằng nước toàn hệ thống bị phá vỡ so với thiết kế ban đầu. Đánh giá định lượng mức độ thay đổi nhu cầu nước là cơ sở khoa học để đề xuất giải pháp thích ứng hiệu quả.
2.1. Tác động đến chế độ mưa và nguồn nước tưới vùng Xuân Thủy
Lượng mưa năm tại Nam Định có xu hướng biến động mạnh hơn. Số ngày mưa giảm nhưng cường độ mỗi trận tăng cao. Mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau thiếu nước trầm trọng hơn. Lưu lượng sông Hồng và sông Ninh Cơ vào mùa kiệt giảm do biến đổi khí hậu thượng nguồn. Ranh giới xâm nhập mặn tiến sâu hơn vào nội địa. Nguồn nước tưới cho vụ lúa xuân bị đe dọa nghiêm trọng. Hệ thống kênh mương nội đồng không đủ trữ lượng bù đắp thiếu hụt trong thời kỳ đỉnh nhu cầu tưới. Yêu cầu tăng cường năng lực trữ nước và điều tiết liên thời vụ trở nên cấp thiết.
2.2. Gia tăng nhu cầu nước do nhiệt độ và bốc thoát hơi tăng
Nhiệt độ tăng làm tăng lượng bốc thoát hơi nước mặt ruộng và kênh mương. Hệ số tưới thiết kế ban đầu không còn phù hợp với điều kiện khí hậu mới. Cây lúa cần thêm nước trong giai đoạn làm đòng và trổ bông khi nhiệt độ cao. Tổng nhu cầu nước toàn hệ thống tăng từ 5 đến 15% so với kịch bản không có biến đổi khí hậu. Diện tích gieo trồng có thể thu hẹp nếu không đảm bảo đủ nước tưới. Hiệu suất sử dụng nước của hệ thống kênh hở giảm do bay hơi tăng mạnh vào mùa hè. Cần tính toán lại hệ số tưới và lưu lượng thiết kế cho các công trình đầu mối theo kịch bản khí hậu tương lai.
III. Phương pháp đánh giá và mô hình tính toán nhu cầu nước nông nghiệp
Luận văn áp dụng phương pháp tính toán nhu cầu nước theo tiêu chuẩn FAO-56 kết hợp với kịch bản biến đổi khí hậu B2. Mô hình CROPWAT được sử dụng để xác định lượng nước cần thiết cho từng loại cây trồng. Số liệu khí tượng thủy văn từ các trạm quan trắc trong vùng được thu thập và xử lý. Chuỗi số liệu đủ dài đảm bảo tính đại diện thống kê. Kịch bản khí hậu tương lai được xây dựng theo phương pháp chi tiết hóa thống kê từ mô hình khí hậu toàn cầu. Các thông số nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm, bức xạ mặt trời được điều chỉnh theo từng giai đoạn 2020-2050 và 2050-2100. Cân bằng nước toàn hệ thống tính theo phương trình liên tục có xét đến tổn thất kênh mương. Kết quả tính toán được kiểm chứng với số liệu thực đo. Sai số chấp nhận được không vượt quá 10%. Phương pháp luận khoa học chặt chẽ đảm bảo độ tin cậy của kết quả đánh giá.
3.1. Ứng dụng mô hình CROPWAT và dữ liệu khí tượng thủy văn
Mô hình CROPWAT 8.0 của FAO tính toán nhu cầu nước cây trồng dựa trên hệ số cây trồng Kc và bốc thoát hơi nước tham chiếu ET0. ET0 được tính theo công thức Penman-Monteith chuẩn FAO. Số liệu đầu vào gồm nhiệt độ tối cao, tối thấp, độ ẩm tương đối, tốc độ gió và bức xạ mặt trời. Các trạm khí tượng Nam Định và Văn Lý cung cấp chuỗi số liệu nhiều năm. Lịch thời vụ lúa xuân và lúa mùa tại địa phương được tích hợp vào mô hình. Kết quả cho thấy nhu cầu nước vụ xuân tăng rõ rệt hơn vụ mùa do điều kiện khô hạn đầu vụ.
3.2. Xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu cho vùng nghiên cứu
Kịch bản B2 được áp dụng theo hướng dẫn của Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2012. Nhiệt độ trung bình vùng đồng bằng Bắc Bộ tăng 0,5°C vào năm 2020 và 1,5°C vào năm 2050. Lượng mưa năm tăng nhẹ nhưng phân bố theo mùa thay đổi đáng kể. Mực nước biển dâng 12cm vào năm 2020 và 30cm vào năm 2050. Ranh giới xâm nhập mặn tại cửa sông Hồng mở rộng thêm từ 5 đến 10km. Ba giai đoạn đánh giá gồm hiện trạng 2016, ngắn hạn 2020 và trung hạn 2050 đảm bảo tầm nhìn quy hoạch toàn diện.
IV. Kết luận và giải pháp thích ứng cho hệ thống thủy nông Xuân Thủy
Nghiên cứu khẳng định biến đổi khí hậu làm tăng đáng kể nhu cầu nước nông nghiệp tại hệ thống thủy nông Xuân Thủy. Mức tăng nhu cầu nước toàn hệ thống dao động từ 8 đến 18% tùy theo giai đoạn và kịch bản khí hậu. Năng lực công trình hiện hữu không đủ đáp ứng nếu không có giải pháp bổ sung. Cần nâng cấp hệ thống cống đầu mối và kênh dẫn chính. Áp dụng kỹ thuật tưới tiết kiệm nước như tưới ngập khô xen kẽ cho lúa giảm nhu cầu tưới 15 đến 20%. Tăng cường trữ nước nội đồng trong ao hồ và kênh bằng cách điều chỉnh lịch vận hành cống. Xây dựng hệ thống đê biển và cống ngăn mặn mới phù hợp với kịch bản nước biển dâng. Chuyển đổi cơ cấu cây trồng sang những giống chịu hạn và chịu mặn tốt hơn. Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo quan trọng cho các nhà quy hoạch thủy lợi tỉnh Nam Định và các vùng ven biển đồng bằng sông Hồng có điều kiện tương tự.
4.1. Giải pháp công trình nâng cao năng lực hệ thống thủy lợi
Ưu tiên nâng cấp các cống đầu mối lấy nước từ sông Hồng và sông Ninh Cơ. Mở rộng khẩu diện cống để tăng lưu lượng lấy nước trong thời đoạn mực nước sông thuận lợi. Kiên cố hóa kênh chính và kênh cấp 1 bằng bê tông giảm tổn thất thấm từ 20 đến 30%. Xây dựng thêm trạm bơm dã chiến dự phòng tại các vùng cao địa hình khó lấy nước tự chảy. Nâng cao đê biển và đê sông đảm bảo ngăn mặn trong điều kiện nước biển dâng 30cm đến năm 2050. Lắp đặt hệ thống quan trắc tự động mực nước và độ mặn tại các điểm xung yếu để chủ động vận hành.
4.2. Giải pháp phi công trình và quản lý tài nguyên nước thích ứng
Chuyển đổi một phần diện tích lúa sang cây trồng cạn có nhu cầu nước thấp hơn tại vùng cao địa hình. Áp dụng kỹ thuật tưới ngập khô xen kẽ AWD cho toàn bộ diện tích lúa giảm lượng nước tưới đáng kể. Điều chỉnh lịch thời vụ né tránh thời kỳ cao điểm thiếu nước. Tăng cường năng lực dự báo khí tượng thủy văn để vận hành công trình tối ưu. Xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa và cống đầu mối theo mùa vụ. Đào tạo cán bộ quản lý thủy lợi về phương pháp tưới tiết kiệm nước và thích ứng biến đổi khí hậu. Hợp tác liên vùng quản lý nguồn nước sông Hồng đảm bảo an ninh nước cho toàn đồng bằng.