Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam hiện có 6.648 hồ chứa thủy lợi với tổng dung tích trữ nước khoảng 49,88 tỷ m³, tuy nhiên hơn 50% trong số đó đã xây dựng và khai thác trên 25 năm, dẫn đến tình trạng xuống cấp và suy giảm khả năng trữ nước. Tại tỉnh Bình Thuận, đặc biệt là huyện Tuy Phong – khu vực có lượng mưa trung bình năm thấp nhất cả nước, tình trạng khô hạn kéo dài đang đe dọa trực tiếp đến đời sống dân sinh và các ngành kinh tế trọng điểm. Nhu cầu sử dụng nước toàn tỉnh đã gia tăng mạnh mẽ từ mức 1.084,20 triệu m³ năm 2010 lên 1.486,50 triệu m³ vào năm 2020, tức tăng thêm 402,30 triệu m³. Áp lực này đòi hỏi phải đảm bảo nguồn nước tưới cho hàng ngàn hecta đất nông nghiệp, cấp nước làm mát cho Trung tâm Nhiệt điện Vĩnh Tân và phục vụ chuỗi dịch vụ du lịch ven biển đang bùng nổ.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá hiện trạng kỹ thuật, tính toán thủy văn điều tiết và đề xuất giải pháp công trình tối ưu nhằm nâng cao dung tích hữu ích cho hồ chứa nước Phan Dũng, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lưu vực sông Lòng Sông với chuỗi dữ liệu khí tượng thủy văn đo đạc từ năm 2010 đến năm 2020, đồng thời cập nhật yêu cầu nâng tần suất bảo đảm cấp nước tưới từ 75% lên 85% theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 04-05:2012/BNNPTNT. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa chiến lược khi giúp bổ sung hàng triệu mét khối nước hữu ích mà không cần xây mới hồ chứa, tiết kiệm từ 30% đến 50% chi phí đầu tư xây dựng, bảo toàn hơn 100 ha diện tích rừng phòng hộ thượng lưu và bảo đảm an toàn bền vững cho đập chính trước các trận lũ cực đoan với tần suất lũ thiết kế P=1% và lũ kiểm tra P=0,2%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết thủy lực công trình tháo lũ và đập tràn, tập trung vào nguyên lý dòng chảy qua đập tràn thực dụng Ôphixerốp, tràn tự do đỉnh rộng và công nghệ tràn phím Piano (PK-Weir) do E. Lempérière và J. Vigny phát triển. Lý thuyết này chứng minh khả năng gia tăng lưu lượng xả lũ lên đến 60% và giảm 40% chiều rộng đỉnh tràn so với tràn thực dụng truyền thống khi cùng một cột nước tràn. Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp mô hình tính toán cân bằng nước và nhu cầu tưới mặt ruộng theo phương pháp Penman - Monteith của Tổ chức Nông Lương Liên Hợp Quốc (FAO) thông qua phần mềm Cropwat để xác định lượng bốc thoát hơi tiềm năng ETo và nhu cầu nước thực tế của từng loại cây trồng.

Khung lý thuyết cơ học đất và độ ổn định đập bê tông trọng lực cũng được vận dụng triệt để nhằm kiểm tra ứng suất nén kéo, điều kiện chống trượt phẳng và chống lật dưới tác dụng của các tổ hợp tải trọng bất lợi nhất. Các khái niệm then chốt xuyên suốt đề tài bao gồm: Dung tích hữu ích (Vhi), Dung tích phòng lũ (Vpl), Mực nước dâng bình thường (MNDBT), Mực nước lũ thiết kế (MNLTK) và Mực nước chết (MNC).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn kế thừa từ chuỗi quan trắc khí tượng thủy văn liên tục 30 năm (tương đương 360 tháng dữ liệu đo mưa và lưu lượng dòng chảy) trên lưu vực sông Lòng Sông do Trạm Khí tượng Thủy văn khu vực cung cấp, kết hợp số liệu khảo sát địa hình, địa chất và hồ sơ quản lý khai thác của Công ty TNHH Một thành viên Khai thác công trình thủy lợi Bình Thuận. Phương pháp chọn mẫu được áp dụng là chọn mẫu toàn bộ chuỗi số liệu thủy văn lịch sử đại diện giai đoạn 1985 - 2015 nhằm đảm bảo độ tin cậy thống kê cho các tính toán phân phối dòng chảy năm thiết kế với tần suất P=85%.

Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng điều tiết hồ chứa kết hợp giải tích tĩnh học kết cấu là vì phương pháp này cho phép định lượng chính xác sự thay đổi của đường bão hòa, gradient thấm và độ an toàn ứng suất đáy đập khi nâng cao mực nước dâng bình thường. Quá trình tính toán, so sánh kỹ thuật và tối ưu hóa 5 phương án cải tạo công trình được thực hiện liên tục trong vòng 12 tháng, đảm bảo tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, phân tích cơ cấu tiêu thụ nước toàn tỉnh Bình Thuận giai đoạn 2010 - 2020 chỉ ra sự chuyển dịch mạnh mẽ khi nhu cầu nước công nghiệp tăng vọt 131,53 triệu m³ (tăng hơn 9,45% tỷ trọng), nhu cầu nuôi trồng thủy sản tăng 60,36 triệu m³ và khu vực Bắc Bình Thuận chiếm tới 52,16% tổng nhu cầu toàn tỉnh với 775,30 triệu m³. Thứ hai, việc thay đổi tiêu chuẩn cấp nước từ tần suất P=75% lên P=85% cùng sự suy giảm 12% lưu lượng dòng chảy mùa kiệt do biến đổi khí hậu khiến hồ Phan Dũng bị thiếu hụt nghiêm trọng khoảng 4,50 triệu m³ nước mỗi năm để phục vụ diện tích canh tác mở rộng và Trung tâm Nhiệt điện Vĩnh Tân.

Thứ ba, qua kiểm toán 5 phương án kỹ thuật nâng cao dung tích hữu ích, nghiên cứu phát hiện giải pháp nâng cao trình cửa van kết hợp nâng cao trình đỉnh đập bằng tường chắn sóng (Giải pháp 3) mang lại độ khả thi cao nhất. Phương án này cho phép giữ nguyên kết cấu thân đập cũ, tăng thêm 15% đến 20% dung tích trữ hữu ích mà vẫn đảm bảo hệ số an toàn chống trượt Ktr > 1,30 và ứng suất nén lớn nhất tại đáy đập đạt 2,45 MPa (thấp hơn nhiều so với cường độ chịu nén cho phép của bê tông là 8,50 MPa) trong cả hai trường hợp lũ thiết kế P=1% và lũ kiểm tra P=0,2%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp giải pháp nâng cao trình cửa van kết hợp tường chắn sóng đạt hiệu quả vượt trội là do tận dụng được khả năng chịu lực dự phòng của đập bê tông trọng lực hiện hữu, tránh được việc đắp áp trúc phức tạp hay phá dỡ ngưỡng tràn cũ. Khi so sánh với công trình thực tế tại hồ Sông Quao (Bình Thuận) – nơi từng nâng chiều cao cửa van kết hợp làm tường chắn sóng để tăng thêm 7,00 triệu m³ nước (tương đương 10,40% dung tích), và hồ Thọ Sơn (Thừa Thiên Huế) nâng dung tích hữu ích thêm 1,90 triệu m³ (tương đương 54,00%), giải pháp đề xuất cho hồ Phan Dũng hoàn toàn đồng nhất về mặt khoa học và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn 35% so với phương án thay thế tràn phím Piano.

Để làm rõ các luận cứ, toàn bộ dữ liệu tính toán điều tiết lũ được thể hiện trực quan qua biểu đồ đường quá trình xả lũ theo thời gian (hydrograph) với các đường cong quan hệ cao trình - dung tích - lưu lượng xả. Đồng thời, bảng ma trận đối chiếu chỉ số an toàn ứng suất kéo, ứng suất nén và hệ số ổn định trượt lật giữa 5 phương án giúp các nhà quản lý dễ dàng nhận diện phương án tối ưu nhất về mặt kỹ thuật và kinh tế.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, thi công xây lắp hệ thống tường chắn sóng bằng bê tông cốt thép mác M250 trên đỉnh đập chính với chiều cao từ 0,80 m đến 1,20 m nhằm ngăn ngừa hiện tượng sóng tràn đỉnh trong điều kiện xuất hiện mực nước lũ kiểm tra P=0,2%. Thời gian thực hiện kéo dài 6 tháng trong mùa kiệt, do Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng các Công trình Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Bình Thuận làm chủ đầu tư.

Thứ hai, gia công cải tạo và nâng cao chiều cao cửa van cung công trình tháo lũ thêm 0,60 m đến 1,00 m, đặt mục tiêu nâng mực nước dâng bình thường của hồ Phan Dũng để gia tăng thêm 3,80 triệu m³ dung tích hữu ích. Hạng mục này cần hoàn thành trong vòng 9 tháng trước mùa mưa lũ, giao cho các nhà thầu cơ khí thủy công chuyên nghiệp phối hợp cùng đơn vị tư vấn giám sát thực hiện.

Thứ ba, lắp đặt hệ thống quan trắc tự động SCADA kết hợp cảm biến áp lực thấm và đo ứng suất thân đập theo thời gian thực với độ chính xác đạt 99,5%, hoàn thiện trong 3 tháng đầu sau cải tạo. Chủ thể chịu trách nhiệm vận hành là Công ty TNHH Một thành viên Khai thác công trình thủy lợi Bình Thuận.

Thứ tư, ban hành quy trình vận hành liên hồ chứa thông minh giữa hồ Phan Dũng, hồ Lòng Sông và hồ Đá Bạc, áp dụng giải pháp xả lũ sớm chủ động từ 12 đến 24 giờ trước khi đỉnh lũ xuất hiện để giảm tải từ 15% đến 20% lưu lượng xả cực đại về hạ du. Chủ thể triển khai là Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Bình Thuận cùng Ủy ban nhân dân huyện Tuy Phong.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, các cơ quan quản lý nhà nước và Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn: Cung cấp cơ sở khoa học và căn cứ thực tiễn để rà soát, phê duyệt quy hoạch nâng cấp hệ thống 6.648 hồ chứa trên phạm vi cả nước, đặc biệt trong lộ trình chuyển đổi tần suất bảo đảm cấp nước đạt chuẩn P=85%.

Thứ hai, các doanh nghiệp khai thác công trình thủy lợi: Nắm bắt phương pháp tính toán cân bằng nước, kỹ thuật kiểm tra an toàn thân đập và quy trình vận hành đóng mở cửa van xả lũ sớm, giúp tối ưu hóa từ 15% đến 25% hiệu suất tích trữ nước phục vụ sản xuất.

Thứ ba, các kỹ sư tư vấn thiết kế và nhà thầu xây dựng thủy lợi: Ứng dụng trực tiếp quy trình tính toán kết cấu tường chắn sóng đỉnh đập, xử lý tiếp giáp bê tông và phân tích ổn định trượt lật cho các công trình đập có chiều cao dưới 25 m chiếm 87,18% quy mô đập tại Việt Nam.

Thứ tư, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Công trình thủy: Sử dụng làm tài liệu tham khảo giá trị về tích hợp mô hình thủy lực hiện đại, thuật toán Cropwat và các giải pháp công trình giải quyết bài toán an ninh nguồn nước tại các vùng khô hạn ven biển.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nên chọn giải pháp nâng cao dung tích hữu ích thay vì xây dựng hồ chứa nước mới? Xây dựng hồ chứa mới tại vùng duyên hải đòi hỏi chi phí đền bù giải tỏa hàng trăm tỷ đồng và làm ngập hàng ngàn hecta đất tự nhiên. Ngược lại, nâng cao dung tích hữu ích hồ Phan Dũng giúp tiết kiệm 40% chi phí xây lắp, rút ngắn tiến độ thi công xuống còn 12 tháng và hạn chế tối đa tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái.

Việc nâng cao mực nước dâng bình thường có gây mất an toàn cho đập bê tông hiện hữu không? Mực nước dâng cao sẽ làm gia tăng áp lực thủy tĩnh và lực đẩy ngược dưới đáy móng. Tuy nhiên, kết quả kiểm toán ứng suất và ổn định trượt phẳng tại hồ Phan Dũng với cấp lũ thiết kế P=1% và lũ kiểm tra P=0,2% cho thấy hệ số an toàn Ktr luôn lớn hơn 1,30, hoàn toàn thỏa mãn Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 04-05:2012/BNNPTNT.

Tường chắn sóng trên đỉnh đập đóng vai trò gì trong phương án cải tạo công trình? Tường chắn sóng bằng bê tông cốt thép cao 0,80 m đến 1,20 m tạo thêm khoảng vượt cao an toàn, ngăn sóng leo và nước tràn đỉnh đập trong điều kiện bão lũ cực đoan. Giải pháp này cho phép nâng cao mực nước tích trữ thường xuyên thêm 0,60 m mà không cần phải đắp tôn cao toàn bộ khối bê tông thân đập.

Tiêu chuẩn QCVN 04-05:2012/BNNPTNT tác động như thế nào đến bài toán cấp nước tại Bình Thuận? Quy chuẩn mới nâng mức bảo đảm cấp nước tưới từ 75% lên 85%, khiến dung tích trữ yêu cầu của các hồ thủy lợi phải tăng thêm từ 10% đến 15% để bù đắp lượng thiếu hụt trong các năm hạn hán khốc liệt, biến việc nâng dung tích hồ Phan Dũng thành yêu cầu kỹ thuật bắt buộc.

Giải pháp xả lũ sớm đem lại hiệu quả vận hành thực tế ra sao cho hồ chứa? Dựa vào hệ thống quan trắc và dự báo mưa lũ thời gian thực, việc xả lũ sớm trước 12 đến 24 giờ giúp hạ thấp mực nước đón lũ, tạo ra từ 15% đến 20% dung tích trống phòng lũ, từ đó cắt giảm đỉnh lũ hạ du và an toàn tích nước đầy hồ vào cuối mùa mưa.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện nhu cầu gia tăng 402,30 triệu m³ nước tại Bình Thuận và xác lập cơ sở khoa học vững chắc để nâng cao dung tích hữu ích hồ Phan Dũng theo tiêu chuẩn bảo đảm cấp nước P=85%.
  • Đã so sánh định lượng 5 phương án kỹ thuật và khẳng định phương án nâng cao trình cửa van kết hợp làm tường chắn sóng đỉnh đập là giải pháp tối ưu nhất về kỹ thuật, kinh tế và an toàn môi trường.
  • Kiểm chứng thành công độ bền ứng suất và khả năng chống trượt lật của thân đập dưới tác động của các tổ hợp tải trọng lũ thiết kế P=1% và lũ kiểm tra P=0,2% theo đúng quy chuẩn xây dựng Việt Nam.
  • Đóng góp giải pháp mô hình mẫu có tính ứng dụng cao cho hơn 6.648 hồ chứa vừa và nhỏ trên cả nước đang đối mặt với nguy cơ hạn hán và tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu.
  • Lộ trình triển khai khuyến nghị: Hoàn tất phê duyệt thiết kế bản vẽ thi công trong quý I, triển khai cải tạo xây lắp trong 9 tháng mùa kiệt và hoàn thành kiểm định vận hành tích nước toàn diện trong quý IV.

Các cơ quan quản lý, đơn vị tư vấn và doanh nghiệp khai thác thủy lợi hãy chủ động nghiên cứu và áp dụng các giải pháp kỹ thuật của luận văn để nâng cao hiệu quả tích trữ nguồn nước và đảm bảo an toàn đập bền vững cho tương lai.