Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống thủy lợi Liễn Sơn giữ vai trò huyết mạch trong việc bảo đảm an ninh lương thực và cấp nước phát triển kinh tế cho tỉnh Vĩnh Phúc với nhiệm vụ tưới tiêu phục vụ hơn 63.851 ha diện tích sản xuất nông nghiệp của 7 huyện, thị xã cùng vùng phụ cận thuộc thành phố Hà Nội và Phú Thọ. Tuy nhiên, trước tác động sâu sắc của biến đổi khí hậu toàn cầu và sự biến đổi lòng dẫn sông, lưu lượng nước mùa kiệt từ sông Phó Đáy chỉ còn dao động từ 5 đến 7 m3/s, khiến hệ thống thường xuyên thiếu hụt nguồn nước trầm trọng. Sự hạ thấp mực nước trên sông Hồng làm mực nước bể hút trạm bơm Bạch Hạc và Đại Định tụt sâu dưới mực nước thiết kế từ 0,5 đến 1,2 mét, gây ra tình trạng hạn hán cục bộ trong vụ đông xuân với diện tích bị hạn cao điểm lên tới 4.000 ha.

Luận văn thạc sĩ tập trung phân tích, đánh giá thực trạng khai thác nguồn nước, dự báo nhu cầu dùng nước đa mục tiêu giai đoạn 2030 - 2050 theo kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5, từ đó xác lập các giải pháp công trình và phi công trình đồng bộ nhằm tối ưu hóa hiệu quả phân bổ tài nguyên nước. Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ vùng phục vụ thủy nông Liễn Sơn rộng 1.371,48 km2 tại tỉnh Vĩnh Phúc dựa trên chuỗi số liệu khí tượng thủy văn 30 năm (1986 - 2016). Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi cung cấp giải pháp định lượng giúp hạ tỷ lệ diện tích phải tưới tạo nguồn tiêu tốn điện năng từ mức gần 50% xuống dưới 20%, bảo đảm cấp nước ổn định cho 26.000 ha đất canh tác nông nghiệp trọng điểm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết Quản lý tổng hợp tài nguyên nước (IWRM) do Hiệp ước Nguồn nước Toàn cầu khởi xướng, kết hợp cùng nguyên lý cân bằng nước lưu vực theo phương trình cân bằng ẩm hệ thống thủy nông mặt ruộng. Bên cạnh đó, mô hình cân bằng năng lượng bức xạ khí quyển và lý thuyết chuyển động dòng chảy không ổn định một chiều trong mạng lưới sông kênh Saint-Venant được áp dụng làm nền tảng toán học để giải quyết bài toán phân phối lưu lượng.

Các khái niệm cốt lõi bao gồm: Hệ số tưới thiết kế mặt ruộng (l/s/ha), lượng bốc thoát hơi tiềm năng (ETo) xác định theo công thức tiêu chuẩn FAO Penman-Monteith, đường phân bố nồng độ khí nhà kính đại diện (RCP), cùng phân loại hình thức tưới tự chảy và tưới tạo nguồn động lực. Nghiên cứu tích hợp kịch bản phát thải trung bình thấp RCP4.5 với mức bức xạ tác động đạt 4,5 W/m2 vào năm 2100 để dự tính các dao động nhiệt ẩm tương lai.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu kế thừa chuỗi quan trắc khí tượng thủy văn giai đoạn 1986 - 2016 từ các trạm khí tượng Vĩnh Yên, Kim Xá, Đại Định và hệ thống tài liệu quản lý kỹ thuật của Công ty Trách nhiệm hữu hạn Một thành viên Thủy lợi Liễn Sơn trên 90,195 km kênh chính và 15 tuyến kênh nhánh cấp 2. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ 83 xã, phường trong vùng phục vụ, áp dụng phương pháp chọn mẫu phân tầng theo 3 tiểu vùng sinh thái (đồi núi 7 xã, trung du 12 xã và đồng bằng 64 xã) nhằm bảo đảm tính đại diện tuyệt đối cho từng vùng canh tác đặc thù.

Tác giả lựa chọn phương pháp phân tích tần suất thủy văn với tần suất bảo đảm tưới P = 85% kết hợp ứng dụng phần mềm mô hình số trị MIKE 11 (mô đun thủy lực HD và SO). Lý do lựa chọn mô hình MIKE 11 vì đây là công cụ tiêu chuẩn quốc tế có khả năng mô phỏng chính xác mạng lưới sông kênh hở phức tạp, kiểm soát được sự làm việc đồng thời của 10 cống điều tiết lớn và công trình vượt chướng ngại vật như xi phông Vũ Di. Tiến trình nghiên cứu kéo dài 24 tháng từ khâu khảo sát thực địa, kiểm định mô hình đến hoàn thiện các kịch bản cân bằng nước 2030 - 2050.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, theo kịch bản RCP4.5, nhiệt độ trung bình khu vực nghiên cứu dự báo tăng thêm 0,7 độ C vào năm 2030 và 1,4 độ C vào năm 2050 so với giai đoạn nền 1986 - 2005, khiến lượng bốc hơi mặt ruộng ETo tăng từ 5,8% đến 8,2%. Mức tưới cho cây trồng vụ chiêm tăng 12,4%, đẩy tổng nhu cầu nước toàn hệ thống lên mức 312 triệu m3 vào năm 2030 và 348 triệu m3 vào năm 2050, trong đó nhu cầu nước cho công nghiệp và sinh hoạt tăng mạnh lần lượt là 28% và 35%.

Thứ hai, nguồn nước cấp tự nhiên qua sông Phó Đáy mùa kiệt suy giảm mạnh, chỉ đáp ứng được khoảng 25% đến 40% công suất thiết kế 17 m3/s của đập dâng Liễn Sơn. Mực nước sông Hồng thường xuyên xuống thấp khiến hiệu suất lấy nước thực tế của trạm bơm Bạch Hạc và Đại Định chỉ đạt 0,80 đến 0,85 so với thiết kế 24,2 m3/s của hai trạm.

Thứ ba, hệ thống kênh chuyển nước có mức tổn thất cột nước cục bộ rất cao do 294 cống vượt cấp và sự bồi lắng lòng kênh. Tổn thất mực nước qua cống điều tiết Đạo Tú (K12+714) lên tới 0,40 mét và xi phông Vũ Di (K28+100) là 0,56 mét. Điều này khiến gần 50% diện tích canh tác bị chuyển sang tưới tạo nguồn tiêu tốn năng lượng thông qua 78 trạm bơm cấp hai trên sông Phan và sông Cà Lồ.

Thảo luận kết quả

Sự mất cân bằng nguồn nước xuất phát từ tương tác kép giữa biến đổi khí hậu gây biến động lượng mưa và hiện tượng hạ thấp lòng dẫn sông Hồng, sông Phó Đáy. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu thủy văn tại đồng bằng sông Hồng của Viện Quy hoạch Thủy lợi, khẳng định tính cấp thiết phải tái cấu trúc công trình lấy nước đầu mối.

Độ tin cậy của nghiên cứu được chứng minh qua mô hình MIKE 11 với chỉ số Nash-Sutcliffe đạt 93,77% tại trạm điều tiết Đạo Tú và 89,78% tại cống Báo Văn (K23+120). Dữ liệu tính toán thủy lực được trực quan hóa mạch lạc qua biểu đồ đường mặt nước dọc tuyến kênh chính dài 49,756 km và bảng cân bằng nước chi tiết 12 tháng. Các đồ thị so sánh lưu lượng thực tế và mô phỏng minh chứng giải pháp bổ sung trạm bơm đầu mối sẽ khôi phục hoàn toàn dung tích truyền tải nước tự chảy cho toàn vùng hạ du.

Đề xuất và khuyến nghị

Tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược nhằm tối ưu hóa việc khai thác tài nguyên nước:

  1. Xây dựng mới trạm bơm đầu mối Liễn Sơn với lưu lượng thiết kế Qtk = 15 m3/s tại vị trí K0+635 kênh chính tả ngạn; lộ trình thực hiện từ năm 2020 đến 2025 do Ban Quản lý Dự án Nông nghiệp tỉnh Vĩnh Phúc làm chủ đầu tư, nhằm chủ động bơm tiếp nước khi mực nước sông Phó Đáy tụt dưới cao trình +14,00 mét.
  2. Cải tạo nâng cấp trạm bơm Bạch Hạc và Đại Định, nạo vét bùn cát bể hút và hiện đại hóa 10 cống điều tiết chính bằng công nghệ van tự động AMIL và van AVIO trong giai đoạn 2022 - 2028 do Công ty Thủy lợi Liễn Sơn thực hiện, nhằm giảm tổn thất cột nước qua công trình xuống dưới 0,15 mét.
  3. Kiên cố hóa và cải tạo mặt cắt 15 tuyến kênh cấp 2, chỉnh trang 294 cống vượt cấp để nâng tỷ lệ bê tông hóa kênh mương từ 65% lên trên 90% trước năm 2030, giao Ủy ban Nhân dân các huyện phối hợp quản lý nhằm giảm thất thoát nước ngấm rò rỉ xuống dưới 10%.
  4. Thực hiện giải pháp phi công trình qua việc chuyển đổi 1.500 ha đất trồng lúa kém hiệu quả sang cây rau màu có giá trị kinh tế cao theo Quyết định số 3216/QĐ-UBND của Ủy ban Nhân dân tỉnh Vĩnh Phúc; áp dụng kỹ thuật tưới nông lộ phơi giúp tiết kiệm từ 15% đến 20% lượng nước tiêu thụ; ban hành quy trình điều tiết liên hồ chứa trước năm 2025 do Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp quản lý và khai thác công trình thủy lợi: Ban lãnh đạo và kỹ sư vận hành của Công ty Thủy lợi Liễn Sơn cùng các đơn vị quản lý thủy nông lân cận có thể sử dụng bộ thông số thủy lực MIKE 11 và quy tắc vận hành van tự động để thiết lập lịch cấp nước chuẩn xác theo từng thời kỳ sinh trưởng của cây trồng.
  2. Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Vĩnh Phúc có thể khai thác dự báo cân bằng nước 2030 - 2050 để điều chỉnh quy hoạch tài nguyên nước mặt và phân bổ hạn ngạch nước cho các khu công nghiệp.
  3. Viện nghiên cứu và giới học thuật chuyên ngành: Các nhà khoa học, giảng viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật tài nguyên nước, Thủy văn học có thể kế thừa phương pháp tích hợp kịch bản RCP4.5 với mô hình MIKE 11 để phát triển các nghiên cứu biến đổi khí hậu trên các lưu vực sông tương tự.
  4. Hợp tác xã và tổ chức sản xuất nông nghiệp: Các hợp tác xã nông nghiệp và trang trại tại địa phương có thể áp dụng các định mức tưới tăng sản cho lúa và cây vụ đông để xây dựng kế hoạch lấy nước khoa học, giảm thiểu chi phí tiền điện bơm nước nội đồng từ 15% đến 25%.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vì sao luận văn lựa chọn kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 để tính toán? Kịch bản RCP4.5 là kịch bản phát thải trung bình thấp do Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành năm 2016, phản ánh sát thực nhất xu thế phát triển kinh tế kết hợp cam kết giảm phát thải. Kịch bản này đưa ra mức tăng nhiệt độ từ 0,7 đến 1,4 độ C rất phù hợp để quy hoạch công trình thủy lợi trung hạn và dài hạn mà không gây lãng phí nguồn vốn đầu tư công.

  2. Mô hình thủy lực MIKE 11 mang lại giá trị gì cho nghiên cứu? Mô hình MIKE 11 thiết lập mạng lưới tính toán thủy lực cho toàn bộ 90,195 km kênh chính và 10 cống điều tiết. Với chỉ số hiệu chuẩn Nash-Sutcliffe đạt từ 82% đến 93,77% tại Đạo Tú và Báo Văn, mô hình cho phép mô phỏng chính xác chế độ dòng chảy không ổn định và kiểm chứng phương án kỹ thuật trạm bơm Liễn Sơn 15 m3/s trước khi xây dựng thực tế.

  3. Giải pháp xây dựng trạm bơm Liễn Sơn 15 m3/s có tác dụng thế nào? Công trình trạm bơm Liễn Sơn 15 m3/s khắc phục triệt để điểm nghẽn thiếu nước khi sông Phó Đáy mùa khô cạn kiệt dưới 7 m3/s. Trạm bơm bảo đảm cấp nước tự chảy ổn định cho toàn bộ kênh chính tả ngạn, giảm tải 45% thời gian bơm liên tục của trạm bơm Bạch Hạc và giải quyết căn bản tình trạng hạn hán cho 26.000 ha đất canh tác.

  4. Ứng dụng van tự động AMIL và AVIO đem lại ưu điểm gì? Van AMIL tự động giữ ổn định mực nước thượng lưu và van AVIO khống chế mực nước hạ lưu hoàn toàn tự động theo cơ chế thủy lực không dùng điện năng. Giải pháp này giúp triệt tiêu hiện tượng tràn bờ, giảm tổn thất cột nước qua 10 cống điều tiết từ 0,40 mét xuống dưới 0,15 mét và giảm chi phí nhân công vận hành trực tiếp.

  5. Nghiên cứu đóng góp gì cho công tác tái cơ cấu nông nghiệp địa phương? Luận văn tính toán chi tiết nhu cầu nước của từng nhóm cây trồng, chứng minh việc chuyển đổi 1.500 ha đất lúa sang cây rau màu giúp giảm 30% mức tưới mùa khô. Đây là căn cứ khoa học trực tiếp hỗ trợ thực hiện Đề án tái cơ cấu ngành nông nghiệp tỉnh Vĩnh Phúc theo Quyết định số 3216/QĐ-UBND và Nghị quyết số 201/2015/NQ-HĐND.

Kết luận

  • Luận văn đánh giá toàn diện nguy cơ thiếu hụt nguồn nước của hệ thống thủy lợi Liễn Sơn phục vụ hơn 63.851 ha diện tích sản xuất nông nghiệp trong bối cảnh tác động kép từ biến đổi khí hậu và suy thoái dòng chảy.
  • Ứng dụng thành công kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 kết hợp mô hình thủy lực MIKE 11 đạt độ chính xác Nash-Sutcliffe trên 89%, lượng hóa chi tiết cân bằng nước đến năm 2050.
  • Xác lập giải pháp công trình trọng tâm gồm xây mới trạm bơm Liễn Sơn công suất 15 m3/s, cải tạo trạm bơm Bạch Hạc và tự động hóa hệ thống cống điều tiết bằng van AMIL, AVIO.
  • Đề xuất đồng bộ giải pháp phi công trình về tái cơ cấu cây trồng, ứng dụng tưới nông lộ phơi tiết kiệm 20% nước và hoàn thiện quy chế quản lý vận hành liên hồ chứa.
  • Lộ trình triển khai khuyến nghị hoàn thành các công trình nâng cấp hạ tầng đầu mối trong giai đoạn 2022 - 2028 và chuẩn hóa quy trình điều tiết toàn mạng lưới trước năm 2030.
  • Các nhà quản lý, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp khai thác thủy lợi hãy ứng dụng ngay các kết quả tính toán định lượng của luận văn để nâng cao năng lực ứng phó biến đổi khí hậu và bảo đảm an ninh nguồn nước bền vững cho địa phương.