Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống thủy nông Bắc Nam Hà là một trong những công trình tiêu thoát nước động lực quy mô lớn nhất Việt Nam, đảm nhận nhiệm vụ tưới cho 50.000 ha đất nông nghiệp, cấp nước sinh hoạt cho hơn 1,2 triệu người dân và tiêu úng cho 85.326 ha lưu vực thuộc hai tỉnh Nam Định và Hà Nam. Khu vực này có địa hình đồng chiêm trũng lòng chảo phức tạp, được bao bọc khép kín bởi bốn con sông lớn gồm sông Hồng, sông Đáy, sông Đào và sông Châu. Trong lịch sử canh tác, chỉ một trận mưa 150mm đã có thể gây ngập lụt kéo dài trên diện rộng. Nhằm giải quyết úng ngập, từ thập niên 1960–1970, Nhà nước đã đầu tư hệ thống 6 trạm bơm điện lớn gồm Như Trác, Hữu Bị, Cốc Thành, Cổ Đam, Vĩnh Trị, Nhâm Tràng với tổng lưu lượng 220 m³/s, đạt hệ số tiêu bình quân 2,9 l/s/ha.

Trải qua hơn 50 năm vận hành, dù đã được bổ sung thêm các trạm bơm mới như Nhân Hòa, Vĩnh Trị 2, Sông Chanh, Quang Trung để nâng công suất lên 350,49 m³/s tương ứng hệ số tiêu 4,67 l/s/ha, hệ thống vẫn đối mặt với tình trạng mất cân đối nghiêm trọng. Quá trình đô thị hóa nhanh chóng, sự gia tăng diện tích bê tông hóa, việc san lấp ao hồ tự nhiên cùng tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng đã đẩy nhu cầu tiêu thiết kế thực tế lên mức 9,33 l/s/ha. Khả năng tiêu thoát hiện tại mới chỉ đáp ứng được khoảng 50,08% yêu cầu thực tế. Điển hình như đợt úng ngập năm 2005 đã làm ngập trên 50.000 ha và năm 2000 gây mất trắng hơn 10.000 ha lúa màu.

Nghiên cứu tập trung đánh giá toàn diện năng lực tiêu thoát hiện trạng trên phạm vi 8 huyện, thị xã thuộc Nam Định và Hà Nam trong chuỗi thời gian thủy văn 1980–2012, định hướng đến năm 2030 và 2050. Luận văn xây dựng cơ sở khoa học vững chắc nhằm đề xuất các giải pháp công trình và phi công trình tối ưu, giảm thiểu tổn thất nông nghiệp và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng vận hành hệ thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp giữa lý thuyết cân bằng nước lưu vực, lý thuyết dòng chảy không ổn định trong hệ thống sông kênh hở và nguyên lý tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật công trình thủy lợi. Khung phân tích vận dụng phương trình liên tục và phương trình động lực Saint-Venant một chiều để mô tả chính xác sự chuyển động của dòng nước mặt qua các trục kênh tiêu chính và công trình điều tiết dưới tác động của mực nước sông ngoài đón lũ.

Mô hình nghiên cứu quy tụ các khái niệm chuyên ngành then chốt gồm:

  • Hệ số tiêu thiết kế mặt ruộng và hệ số tiêu toàn hệ thống đại diện cho lưu lượng tiêu yêu cầu trên một đơn vị diện tích.
  • Mô hình mưa tiêu thiết kế 5 ngày lớn nhất ứng với tần suất thiết kế P = 10%.
  • Dung tích trữ điều hòa của hệ thống mặt nước nội đồng gồm ao hồ, đầm trũng và ruộng lúa.
  • Tần suất mực nước sông thiết kế tại bể xả trạm bơm gắn liền với bài toán chi phí vòng đời công trình.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập đồng bộ từ 4 trạm đo mưa quốc gia khống chế bao quanh khu vực gồm Nam Định, Ninh Bình, Phủ Lý và Hưng Yên với chuỗi quan trắc liên tục 33 năm (giai đoạn 1980–2012). Dữ liệu mặt cắt địa hình bao trùm 16 trục sông, kênh tiêu chính và thông số vận hành kỹ thuật của 15 trạm bơm lớn cùng 477 trạm bơm nhỏ nội đồng.

Về phương pháp chọn mẫu, tác giả sử dụng phương pháp chọn mẫu toàn phần chuỗi số liệu khí tượng thủy văn lịch sử trên 30 năm nhằm đảm bảo độ tin cậy thống kê cao theo tiêu chuẩn ngành. Phương pháp đa giác Thiessen được ứng dụng để tính toán lượng mưa bình quân lưu vực, phản ánh trung thực sự phân bố không gian lượng mưa giữa các tiểu vùng.

Luận văn ứng dụng bộ mô hình thủy lực SWMM 5.0 (Storm Water Management Model) để mô phỏng động lực học dòng chảy nước mặt và diễn toán ngập úng theo từng bước thời gian rời rạc. Lý do lựa chọn mô hình SWMM 5.0 là nhờ khả năng tích hợp linh hoạt mạng lưới kênh hở, công trình điều tiết liên hoàn, trạm bơm động lực và các tiểu lưu vực thấm hoặc không thấm với độ chính xác cao. Bên cạnh đó, phương pháp phân tích thống kê đường tần suất Pearson III và phương pháp tối ưu hóa hàm chi phí xây dựng kết hợp chi phí điện năng vận hành được áp dụng để xác định mực nước sông thiết kế hợp lý cho các trạm bơm đầu mối.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả tính toán theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10406:2015 chỉ ra rằng hệ số tiêu thiết kế bình quân toàn hệ thống Bắc Nam Hà trong giai đoạn hiện tại lên tới 9,33 l/s/ha. Hệ số tiêu cục bộ tại các khu vực khống chế bởi các trạm đo mưa dao động từ 8,81 l/s/ha (vùng Nam Định) đến 9,62 l/s/ha (vùng Ninh Bình). Năng lực tiêu thực tế hiện có chỉ đạt 4,67 l/s/ha, thiếu hụt tới 49,92% so với nhu cầu thực tế.

Thứ hai, qua thống kê chuỗi số liệu mưa 33 năm, các trận mưa 5 ngày lớn nhất gây úng ngập chiếm tỷ trọng áp đảo từ 90% đến 99% tổng lượng mưa của các trận mưa 7 ngày. Các trận mưa 3 ngày lớn nhất hầu như đều nằm trọn trong thời đoạn 5 ngày, chứng minh rằng mô hình mưa tiêu 5 ngày lớn nhất tần suất P = 10% là mô hình tính toán an toàn và tối ưu về mặt kinh tế - kỹ thuật.

Thứ ba, hệ thống hạ tầng dẫn nước bị suy giảm nghiêm trọng. Hơn 10.077 km kênh mương các cấp đều bị bồi lắng sâu từ 1,0m đến 2,0m so với cao trình đáy thiết kế ban đầu. Hiệu suất làm việc thực tế của 6 trạm bơm đầu mối xây dựng từ thế kỷ trước đã suy giảm mạnh, chỉ đạt từ 75% đến 80% công suất danh định.

Thứ tư, dưới tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng, lượng mưa thời đoạn tiêu dự báo tăng từ 6% đến 9% vào năm 2030–2050, làm nhu cầu tiêu toàn vùng tăng thêm 35,7%. Mực nước sông Hồng và sông Đáy mùa lũ dâng cao hơn mực nước nội đồng từ 6,0m đến 7,0m, triều cường truyền sâu vào nội địa tới 150 km trong mùa kiệt, làm giảm đáng kể khả năng tự chảy và gia tăng áp lực lên hệ thống bơm động lực.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi gây nên ngập úng diện rộng bắt nguồn từ đặc điểm địa hình lòng chảo với 70,8% diện tích đất canh tác nằm ở cao độ thấp từ +0,7m đến +1,5m, trong khi hệ thống kênh trục chính như sông Sắt dài tới 37,7 km nhưng hệ số tiêu khu vực Vĩnh Trị chỉ đạt 3,90 l/s/ha. Quá trình phát triển công nghiệp hóa làm suy giảm diện tích ao hồ tự nhiên, gia tăng hệ số dòng chảy mặt lên 0,85–0,95 đối với khu dân cư và công nghiệp.

So sánh với các nghiên cứu tại vùng lân cận như hệ thống thủy nông Nam Thái Bình, xu thế chuyển dịch từ vùng tiêu tự chảy sang tiêu động lực là tất yếu. Tại Nam Thái Bình, diện tích tiêu tự chảy giảm mạnh từ 82,54% xuống còn 62,90% vào năm 2050. Đối với Bắc Nam Hà, giải pháp tiêu hoàn toàn phụ thuộc vào động lực trạm bơm điện.

Về mặt học thuật và kinh tế, việc các quy chuẩn hiện hành áp đặt mực nước sông thiết kế tương ứng tần suất P = 10% tại bể xả trạm bơm là chưa thực sự hợp lý. Việc hạ tần suất thiết kế về mức mực nước bình quân vụ tiêu tương ứng tần suất P = 50% giúp trạm bơm luôn hoạt động trong vùng hiệu suất cao, giúp giảm thiểu từ 60% đến 80% điện năng hao phí mỗi năm, dù chi phí xây lắp ban đầu có thể tăng nhẹ do kết cấu công trình sâu hơn.

Dữ liệu thủy lực diễn biến ngập úng được trực quan hóa thông qua các bản đồ ngập lụt không gian GIS và biểu đồ đường quá trình mực nước tại các nút kênh trục chính, minh chứng rõ nét cho tình trạng nghẽn dòng tại các cống điều tiết An Bài, Cánh Gà và Mỹ Đô khi vận hành liên hoàn.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao toàn diện năng lực và hiệu quả tiêu úng cho hệ thống Bắc Nam Hà trong bối cảnh biến đổi khí hậu, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược:

  • Cải tạo và nâng cấp các trạm bơm đầu mối hiện hữu: Thay thế máy bơm cũ, nâng hiệu suất làm việc của 6 trạm bơm trung tâm gồm Như Trác, Hữu Bị, Cốc Thành, Cổ Đam, Vĩnh Trị, Nhâm Tràng lên trên 90% công suất thiết kế. Xây dựng bổ sung các trạm bơm mới để nâng tổng lưu lượng bơm toàn vùng đạt trên 550 m³/s trước năm 2030, do Công ty TNHH Một thành viên Khai thác Công trình Thủy lợi Bắc Nam Hà làm chủ đầu tư.

  • Nạo vét đồng bộ và kiên cố hóa 10.077 km kênh tiêu trục chính: Tập trung khơi thông 195 tuyến kênh cấp I (dài 973 km) và 2.151 tuyến kênh cấp II (dài 2.230 km), bóc tách lớp bồi lắng từ 1,0m đến 2,0m để khôi phục mặt cắt hình học nguyên bản. Hoàn thành giai đoạn 2026–2028 dưới sự chỉ đạo của Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn hai tỉnh Nam Định và Hà Nam.

  • Quy hoạch và phát triển hệ thống hồ điều hòa đa mục tiêu: Dành tối thiểu 5% đến 7% diện tích tự nhiên cho hệ thống không gian trữ nước mặt, duy trì chiều sâu trữ từ 1,2m đến 1,5m nhằm hạ thấp từ 15% đến 20% hệ số tiêu đỉnh lũ, thực hiện trong giai đoạn 2026–2030 bởi Ủy ban Nhân dân các huyện, thành phố trong lưu vực.

  • Thiết lập quy trình vận hành thông minh theo thời gian thực: Lắp đặt mạng lưới quan trắc tự động mực nước, lưu lượng và ứng dụng mô hình SWMM kết hợp hệ thống SCADA để chủ động bơm hạ thấp mực nước đệm trước các đợt mưa lớn từ 24 đến 48 giờ, giúp tiết kiệm từ 10% đến 15% chi phí điện năng vận hành hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước và phòng chống thiên tai: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Cục Thủy lợi và Chi cục Thủy lợi các địa phương có thể sử dụng số liệu tính toán hệ số tiêu 9,33 l/s/ha và phương pháp luận tối ưu hóa mực nước thiết kế để hoàn thiện quy hoạch phân vùng tiêu thoát nước lưu vực sông Hồng.

  • Doanh nghiệp quản lý và khai thác công trình thủy lợi: Ban lãnh đạo và kỹ sư vận hành tại Công ty Khai thác Công trình Thủy lợi Bắc Nam Hà có thể áp dụng ngay quy trình phân vùng điều tiết liên hoàn cho 15 trạm bơm lớn nhằm chủ động ứng phó thiên tai mùa mưa bão.

  • Các đơn vị tư vấn thiết kế công trình thủy công: Kỹ sư xây dựng công trình thủy lợi có thể tham khảo phương pháp xác định cao trình đáy cống tháo và bể xả tối ưu nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư và chi phí năng lượng trạm bơm tiêu.

  • Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên sau đại học ngành Thủy văn, Kỹ thuật Tài nguyên nước: Luận văn cung cấp nguồn tài liệu học thuật giá trị về ứng dụng mô hình số trị SWMM 5.0 và xử lý chuỗi số liệu khí tượng thủy văn trong điều kiện biến đổi khí hậu.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao hệ số tiêu thiết kế của hệ thống Bắc Nam Hà lại tăng lên mức 9,33 l/s/ha?

Sự gia tăng này xuất phát từ quá trình đô thị hóa mạnh mẽ làm thu hẹp diện tích thấm tự nhiên, việc san lấp ao hồ làm giảm dung tích trữ nội đồng kết hợp với cường độ mưa cực đoan gia tăng do biến đổi khí hậu. Khi cơ cấu đất đai thay đổi, hệ số dòng chảy mặt tăng lên dẫn đến lưu lượng nước dồn về hệ thống kênh tiêu nhanh và lớn hơn khoảng 35,7% so với thời kỳ trước.

Mô hình SWMM 5.0 mang lại ưu thế gì trong việc giải bài toán tiêu úng vùng trũng?

Mô hình SWMM 5.0 giải quyết đồng thời phương trình dòng chảy mặt và hệ phương trình Saint-Venant động lực học trong hệ thống kênh hở phức tạp. Nhờ đó, mô hình mô phỏng chi tiết mực nước, lưu lượng tại từng nút và xác định chính xác thời gian cũng như mức độ ngập úng tại các vùng trũng sâu từ +0,7m đến +0,8m dưới tác động điều tiết của trạm bơm điện.

Việc lựa chọn tần suất mực nước sông thiết kế P = 50% có ưu điểm gì so với P = 10%?

Lựa chọn tần suất P = 50% đưa mực nước thiết kế bể xả về gần mức mực nước bình quân thực tế trong mùa lũ. Điều này giúp máy bơm vận hành thường xuyên trong vùng hiệu suất cao nhất, khắc phục triệt để tình trạng lãng phí từ 60% đến 80% điện năng do cột nước địa hình dư thừa khi chọn tần suất thiết kế P = 10% theo cách tính truyền thống.

Hệ thống hồ điều hòa đa mục tiêu đóng vai trò giảm tải ngập úng như thế nào?

Hồ điều hòa hoạt động như một bể trữ đệm, giữ lại lượng nước mưa dồn dập trong những ngày cao điểm và xả dần khi các trạm bơm có dư thừa công suất. Việc duy trì dung tích trữ với chiều sâu từ 1,2m đến 1,5m giúp cắt giảm trực tiếp từ 15% đến 20% hệ số tiêu yêu cầu của trạm bơm, hạn chế tối đa nguy cơ tràn bờ tại các trục kênh chính.

Biến đổi khí hậu và nước biển dâng đe dọa hệ thống Bắc Nam Hà ở những khía cạnh nào?

Biến đổi khí hậu làm tăng tổng lượng mưa 5 ngày lớn nhất từ 6% đến 9%, trong khi nước biển dâng đẩy mực nước các sông ngoài như sông Hồng, sông Đáy lên từ 0,30m đến 1,28m. Sự chênh lệch mực nước trong và ngoài đê lên tới 6,0m đến 7,0m làm tê liệt hoàn toàn khả năng tiêu tự chảy, buộc toàn bộ hệ thống 85.326 ha phải tiêu bằng bơm động lực.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện sự mất cân đối nghiêm trọng giữa năng lực tiêu thực tế (4,67 l/s/ha) và nhu cầu tiêu thiết kế (9,33 l/s/ha) trên diện tích 85.326 ha vùng đồng chiêm trũng Bắc Nam Hà.
  • Thiết lập cơ sở khoa học vững chắc thông qua việc phân tích chuỗi số liệu mưa 33 năm, khẳng định mô hình mưa tiêu 5 ngày lớn nhất tần suất P = 10% là chuẩn mực kinh tế - kỹ thuật tối ưu.
  • Đóng góp phương pháp luận đột phá trong việc xác định tần suất mực nước sông thiết kế P = 50% cho trạm bơm tiêu, giúp giải quyết hài hòa bài toán giữa chi phí xây dựng và tiết kiệm điện năng vận hành.
  • Đề xuất đồng bộ 4 nhóm giải pháp công trình và phi công trình, trọng tâm là nâng cấp 6 trạm bơm lớn, nạo vét 10.077 km kênh mương và quy hoạch 5% đến 7% quỹ đất cho hồ điều hòa.
  • Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo cấp thiết, kêu gọi các cơ quan quản lý triển khai ứng dụng ngay vào thực tiễn quy hoạch giai đoạn 2026–2030 nhằm bảo vệ sinh kế cho hơn 1,2 triệu người dân địa phương.