Tổng quan nghiên cứu

Trong các vùng đồng bằng thấp trũng, đặc biệt là khu vực Nam Hà thuộc đồng bằng sông Hồng, tình trạng ngập lụt do mưa lớn trong mùa mưa gây ra nhiều ảnh hưởng nghiêm trọng đến giao thông, nông nghiệp, công nghiệp và các hoạt động kinh tế khác. Với tổng diện tích khoảng 85.326 ha, khu vực này được bao bọc bởi bốn con sông lớn gồm sông Hồng, sông Đáy, sông Đào và sông Châu, tạo nên hệ thống thủy văn phức tạp. Mức nước thoát lũ yêu cầu trong vùng thường thấp hơn mực nước các con sông bao quanh, khiến việc thoát nước bằng trọng lực gặp nhiều khó khăn, buộc phải sử dụng hệ thống bơm để kiểm soát lũ lụt. Tuy nhiên, hệ thống kênh mương và các công trình thủy lợi đã xuống cấp sau hơn 30 năm vận hành, làm giảm hiệu quả thoát nước.

Mục tiêu nghiên cứu nhằm thiết lập mô hình thủy động lực học (hydrodynamic) cho hệ thống kênh sông và các trạm bơm tại Nam Hà, từ đó đề xuất phương án vận hành tối ưu các cống điều tiết nhằm giảm thiểu diện tích ngập lụt trong điều kiện biến đổi khí hậu. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu mưa từ năm 1994 đến 2014, với lượng mưa trung bình hàng năm khoảng 1800 mm, tập trung chủ yếu trong các tháng 7 đến 9. Theo kịch bản biến đổi khí hậu của Bộ Tài nguyên và Môi trường Việt Nam (MONRE) năm 2016, lượng mưa dự kiến tăng khoảng 14% trong giai đoạn 2016-2035, được tích hợp vào mô phỏng để đánh giá tác động.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp công cụ mô hình hóa chính xác, hỗ trợ quản lý và vận hành hệ thống thoát nước tích hợp, góp phần giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt, đồng thời thích ứng với các biến đổi khí hậu trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy động lực học, trong đó trọng tâm là hệ phương trình Saint-Venant mô tả bảo toàn khối lượng và động lượng trong dòng chảy không ổn định, không đều trong kênh hở. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Mô hình thủy động lực học (Hydrodynamic Model): Giải các phương trình Saint-Venant bằng phương pháp sai phân hữu hạn, mô phỏng dòng chảy và mực nước trong hệ thống kênh sông.
  • Mô hình vận hành tích hợp (Integrated Operation Model): Kết hợp mô phỏng dòng chảy với các kịch bản vận hành cống, trạm bơm để tối ưu hóa việc kiểm soát lũ.
  • Biến đổi khí hậu và tác động đến thủy văn: Tác động của biến đổi khí hậu làm thay đổi lượng mưa, mực nước sông và tần suất ngập lụt, được mô phỏng theo kịch bản RCP 4.5.
  • Khái niệm vùng ngập và thời gian ngập: Đánh giá độ sâu ngập và thời gian ngập tối đa cho phép để không ảnh hưởng quá 10% năng suất cây trồng.

Mô hình VRSAP (Vietnam River Systems and Plains) được lựa chọn do khả năng mô phỏng mạng lưới sông kênh phức tạp, có thể tích hợp các công trình thủy lợi như cống, trạm bơm, và đã được hiệu chỉnh phù hợp với điều kiện đồng bằng sông Hồng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

  • Dữ liệu khí tượng thủy văn: lượng mưa, độ ẩm, tốc độ gió, bức xạ mặt trời thu thập từ các trạm quan trắc trong giai đoạn 1994-2014.
  • Dữ liệu địa hình: bản đồ số độ cao chi tiết khu vực Nam Hà.
  • Dữ liệu hệ thống thủy lợi: thông số kỹ thuật các trạm bơm, cống điều tiết, mạng lưới kênh mương.
  • Dữ liệu biến đổi khí hậu: kịch bản lượng mưa tăng 14% theo báo cáo MONRE 2016.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Thiết lập mô hình thủy động lực học VRSAP cho hệ thống kênh sông và trạm bơm.
  • Hiệu chỉnh mô hình bằng dữ liệu quan trắc mực nước và lưu lượng tại các trạm bơm Nhu Trac và Cau Sat, đạt chỉ số Nash-Sutcliffe lần lượt 0.79 và 0.82, đảm bảo độ chính xác mô hình.
  • Xác thực mô hình với dữ liệu độc lập, đạt chỉ số Nash-Sutcliffe trên 0.75.
  • Mô phỏng các kịch bản vận hành cống điều tiết (64 trường hợp kết hợp đóng mở các cống chính) nhằm tìm ra phương án tối ưu giảm diện tích ngập.
  • Thời gian nghiên cứu tập trung vào mùa mưa năm 2008, với dữ liệu mưa chi tiết từ 28/8 đến 27/9, chia làm giai đoạn hiệu chỉnh và xác thực mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Diện tích ngập lụt biến động theo kịch bản vận hành cống:

    • Ở vùng Nhu Trac, diện tích ngập dao động từ 1.000 ha đến 5.000 ha tùy theo tình huống vận hành. Kịch bản đóng cống Vua (Nhu Trac hoạt động độc lập) cho diện tích ngập nhỏ nhất.
    • Vùng Huu Bi có diện tích ngập thấp hơn, từ 1.500 ha đến 3.500 ha. Kịch bản mở toàn bộ các cống chính giúp giảm ngập hiệu quả nhất.
    • Vùng Coc Thanh có sự biến động lớn nhất, diện tích ngập từ 2.000 ha đến 18.000 ha. Kịch bản đóng cống 3/2 và mở cống Canh Ga giúp giảm ngập tối đa.

  2. Ảnh hưởng của lượng mưa và biến đổi khí hậu:

    • Lượng mưa trung bình hàng năm khoảng 1.800 mm, tập trung chủ yếu trong 3 tháng mùa mưa.
    • Dựa trên kịch bản biến đổi khí hậu, lượng mưa tăng 14% làm gia tăng áp lực thoát nước, đòi hỏi phương án vận hành hệ thống phải được điều chỉnh phù hợp.

  3. Hiệu quả mô hình VRSAP:

    • Mô hình mô phỏng chính xác mực nước và lưu lượng tại các trạm bơm với sai số nhỏ, cho phép dự báo quá trình ngập lụt và mực nước trong kênh.
    • Mô hình hỗ trợ đánh giá các kịch bản vận hành, giúp lựa chọn phương án tối ưu giảm thiểu diện tích ngập.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của ngập lụt là do hệ thống kênh mương và công trình thủy lợi đã xuống cấp, cùng với mực nước sông bao quanh cao hơn mực nước trong vùng, gây khó khăn cho thoát nước bằng trọng lực. Việc vận hành các cống điều tiết đóng vai trò then chốt trong việc phân vùng và kiểm soát dòng chảy, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến diện tích ngập.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với các báo cáo về tác động của biến đổi khí hậu đến thủy văn vùng đồng bằng sông Hồng, đồng thời khẳng định tính hiệu quả của mô hình thủy động lực học trong quản lý lũ lụt. Việc mô phỏng chi tiết từng vùng thoát nước và các kịch bản vận hành giúp các nhà quản lý có cơ sở khoa học để ra quyết định vận hành hệ thống phù hợp với điều kiện thực tế và biến đổi khí hậu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện biến động diện tích ngập theo thời gian và các kịch bản vận hành cống, cũng như bảng so sánh chỉ số Nash-Sutcliffe giữa mô hình và quan trắc thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa vận hành cống điều tiết:

    • Đóng mở linh hoạt các cống Vua, An Bai, 3/2, La Cho, Canh Ga và My Do theo kịch bản đã được mô phỏng để giảm diện tích ngập tối đa.
    • Thời gian thực hiện: ngay trong mùa mưa hàng năm.
    • Chủ thể thực hiện: Ban quản lý hệ thống thủy lợi Nam Hà.

  2. Nâng cấp, bảo trì hệ thống kênh mương và trạm bơm:

    • Tiến hành nạo vét các kênh chính như Kinh Thuy, Bien Hoa, My Do để khôi phục lưu lượng thiết kế.
    • Thời gian: trong vòng 2-3 năm tới.
    • Chủ thể: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Hà Nam phối hợp với các đơn vị liên quan.

  3. Áp dụng mô hình VRSAP trong quản lý vận hành:

    • Sử dụng mô hình để dự báo ngập lụt và hỗ trợ ra quyết định vận hành hệ thống thoát nước theo tình hình mưa thực tế và dự báo khí tượng.
    • Thời gian: triển khai ngay và cập nhật thường xuyên.
    • Chủ thể: Trung tâm Quản lý nước và phòng chống thiên tai tỉnh.

  4. Xây dựng kế hoạch thích ứng với biến đổi khí hậu:

    • Cập nhật kịch bản lượng mưa và mực nước theo các báo cáo mới nhất để điều chỉnh vận hành hệ thống phù hợp.
    • Thời gian: đánh giá định kỳ 5 năm một lần.
    • Chủ thể: Bộ Tài nguyên và Môi trường phối hợp với các địa phương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý thủy lợi và phòng chống thiên tai:

    • Lợi ích: Có công cụ khoa học để vận hành hệ thống thoát nước hiệu quả, giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt.
    • Use case: Lập kế hoạch vận hành trạm bơm và cống điều tiết theo mùa mưa.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành quản lý tài nguyên nước:

    • Lợi ích: Tham khảo phương pháp mô hình thủy động lực học ứng dụng thực tiễn trong điều kiện biến đổi khí hậu.
    • Use case: Phát triển nghiên cứu tiếp theo về mô hình hóa thủy văn vùng đồng bằng.

  3. Các cơ quan hoạch định chính sách về biến đổi khí hậu và phát triển bền vững:

    • Lợi ích: Hiểu rõ tác động của biến đổi khí hậu đến hệ thống thủy lợi và đề xuất giải pháp thích ứng.
    • Use case: Xây dựng chính sách quản lý rủi ro thiên tai và đầu tư hạ tầng.

  4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp trong lĩnh vực nông nghiệp và phát triển hạ tầng:

    • Lợi ích: Đánh giá rủi ro ngập lụt và hiệu quả đầu tư cải tạo hệ thống thoát nước.
    • Use case: Lập dự án nâng cấp hệ thống thủy lợi phù hợp với điều kiện khí hậu tương lai.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình VRSAP có ưu điểm gì so với các mô hình thủy động lực học khác?
    Mô hình VRSAP được phát triển phù hợp với điều kiện đồng bằng sông Hồng, có khả năng mô phỏng mạng lưới kênh sông phức tạp, tích hợp các công trình thủy lợi như cống, trạm bơm. Ngoài ra, mã nguồn mở giúp người dùng dễ dàng hiệu chỉnh và nâng cấp theo yêu cầu thực tế.

  2. Làm thế nào để mô hình được hiệu chỉnh chính xác?
    Mô hình được hiệu chỉnh bằng cách so sánh kết quả mô phỏng mực nước và lưu lượng với dữ liệu quan trắc thực tế tại các trạm bơm trong giai đoạn hiệu chỉnh. Chỉ số Nash-Sutcliffe trên 0.75 được coi là mô hình đạt yêu cầu.

  3. Tác động của biến đổi khí hậu đến hệ thống thoát nước như thế nào?
    Biến đổi khí hậu làm tăng lượng mưa trung bình khoảng 14% trong khu vực nghiên cứu, dẫn đến áp lực thoát nước lớn hơn, tăng nguy cơ ngập lụt nếu không có phương án vận hành và cải tạo hệ thống phù hợp.

  4. Phương án vận hành cống điều tiết được lựa chọn dựa trên tiêu chí nào?
    Tiêu chí chính là giảm thiểu diện tích ngập lụt tổng thể trong vùng, đồng thời đảm bảo vận hành hiệu quả các trạm bơm và không gây ngập cục bộ tại các vùng thấp.

  5. Nghiên cứu có thể áp dụng cho các vùng đồng bằng khác không?
    Phương pháp và mô hình có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các vùng đồng bằng thấp trũng khác có điều kiện thủy văn tương tự, tuy nhiên cần hiệu chỉnh mô hình phù hợp với đặc điểm địa hình và hệ thống thủy lợi địa phương.

Kết luận

  • Thiết lập thành công mô hình thủy động lực học VRSAP cho hệ thống kênh sông và trạm bơm tại Nam Hà, đạt độ chính xác cao với chỉ số Nash-Sutcliffe trên 0.75.
  • Phân tích các kịch bản vận hành cống điều tiết cho thấy phương án đóng mở linh hoạt các cống chính giúp giảm diện tích ngập lụt đáng kể, từ 18.000 ha xuống còn khoảng 1.000-5.000 ha tùy vùng.
  • Biến đổi khí hậu làm tăng lượng mưa khoảng 14%, đòi hỏi phải điều chỉnh vận hành hệ thống thoát nước để thích ứng hiệu quả.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý và vận hành hệ thống thoát nước tích hợp, góp phần giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt và thích ứng với biến đổi khí hậu.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cấp hệ thống kênh mương, vận hành cống điều tiết và áp dụng mô hình VRSAP trong quản lý vận hành, với lộ trình thực hiện trong 2-3 năm tới.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và đơn vị liên quan nên triển khai áp dụng mô hình và các kịch bản vận hành được đề xuất, đồng thời cập nhật dữ liệu và kịch bản biến đổi khí hậu để duy trì hiệu quả quản lý hệ thống thoát nước.