Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống tiêu trạm bơm Phù Đổng, huyện Gia Lâm, TP. Hà Nội, có nhiệm vụ tiêu thoát nước cho khoảng 690 ha diện tích, trong đó gồm 520 ha đất nông nghiệp và 170 ha đất thổ cư. Trong bối cảnh phát triển kinh tế - xã hội, đô thị hóa và công nghiệp hóa nhanh chóng, nhu cầu tiêu thoát nước tại khu vực này ngày càng tăng, đặc biệt do sự hình thành các khu công nghiệp và khu dân cư mới. Tuy nhiên, hệ thống tiêu hiện tại đã xuống cấp nghiêm trọng, với nhiều công trình bị bồi lắng, thu hẹp mặt cắt ngang, máy móc trạm bơm hư hỏng, dẫn đến hiệu suất tiêu nước chỉ đạt khoảng 60% so với thiết kế. Tình trạng ngập úng kéo dài gây thiệt hại lớn cho sản xuất nông nghiệp và ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống người dân.

Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng mô hình mô phỏng để đánh giá thực trạng hệ thống tiêu trạm bơm Phù Đổng, từ đó đề xuất các giải pháp cải tạo, nâng cấp nhằm đáp ứng yêu cầu tiêu thoát nước hiện tại và tương lai. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống tiêu trạm bơm Phù Đổng, huyện Gia Lâm, với dữ liệu thu thập từ thực địa và các báo cáo quy hoạch, thiết kế liên quan. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu thiệt hại do ngập úng, nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp, cải thiện môi trường sống và phát triển kinh tế - xã hội bền vững tại khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết cân bằng nước trong hệ thống thủy lợi: Xác định lượng nước đến và lượng nước đi để tính toán hệ số tiêu nước phù hợp với từng loại đất và đối tượng sử dụng.
  • Mô hình mô phỏng thủy văn SWMM (Storm Water Management Model): Ứng dụng để mô phỏng dòng chảy, đánh giá hiệu quả tiêu thoát nước của hệ thống kênh và trạm bơm.
  • Lý thuyết thống kê xác suất trong thủy văn: Sử dụng phương pháp thống kê xác suất để xác định lượng mưa thiết kế với tần suất 10%, làm cơ sở cho tính toán lưu lượng tiêu.
  • Khái niệm hệ số tiêu nước: Là lượng nước cần tiêu thoát khỏi một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian, được xác định dựa trên cân bằng nước và đặc điểm sử dụng đất.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số tiêu nước, mô hình mưa tiêu điển hình, hệ số dòng chảy, hiệu chỉnh giản đồ hệ số tiêu, và các loại đất tiêu nước (đất trồng lúa, đất thổ cư, ao hồ điều hòa).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm số liệu mưa quan trắc tại trạm Láng (Hà Nội) trong khoảng 35 năm (1970-2004), số liệu thực địa về hiện trạng hệ thống tiêu trạm bơm Phù Đổng, các báo cáo quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi tại huyện Gia Lâm.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Điều tra, khảo sát thực địa: Thu thập số liệu hiện trạng công trình, kênh tiêu, trạm bơm và tình hình ngập úng.
  • Phân tích, thống kê số liệu: Xử lý số liệu mưa, mực nước sông Đuống, lưu lượng tiêu nước.
  • Mô hình toán và mô phỏng thủy văn: Ứng dụng phần mềm SWMM để mô phỏng dòng chảy, đánh giá hiệu quả hệ thống tiêu hiện trạng và các phương án cải tạo.
  • Tính toán hệ số tiêu nước: Dựa trên cân bằng nước, đặc điểm sử dụng đất và mô hình mưa tiêu thiết kế.
  • Hiệu chỉnh hệ số tiêu: Áp dụng các biện pháp điều chỉnh dựa trên khả năng chịu ngập của cây trồng, diện tích ao hồ điều hòa và cơ cấu sử dụng đất.

Quy trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2010 đến 2013, với cỡ mẫu khảo sát toàn bộ lưu vực tiêu 690 ha, phân chia thành 11 tiểu vùng để tính toán chi tiết.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng hệ thống tiêu xuống cấp nghiêm trọng: Trạm bơm Phù Đổng được xây dựng từ năm 1974, sau hơn 37 năm hoạt động, máy móc và công trình đã hư hỏng nặng, hiệu suất bơm chỉ đạt khoảng 60% so với thiết kế. Lòng kênh bị bồi lắng, mặt cắt thu hẹp, nhiều đoạn kênh bị sạt lở, gây cản trở dòng chảy và ngập úng cục bộ.

  2. Lượng mưa thiết kế và mô hình mưa tiêu điển hình: Lượng mưa 5 ngày lớn nhất với tần suất 10% được xác định là 360,99 mm, dựa trên số liệu trạm Láng giai đoạn 1970-2004. Mô hình mưa điển hình chọn là trận mưa 5 ngày max năm 2001 với lượng mưa 360 mm, có dạng phân phối thuận lợi cho tính toán.

  3. Hệ số tiêu nước sơ bộ và hiệu chỉnh: Hệ số tiêu nước trung bình ngày cho toàn lưu vực dao động từ 0,21 đến 1,47 l/s/ha tùy theo tiểu vùng và loại đất. Sau khi hiệu chỉnh dựa trên diện tích ao hồ điều hòa và khả năng chịu ngập của cây trồng, hệ số tiêu được điều chỉnh giảm, giúp giảm yêu cầu lưu lượng tiêu nước và phù hợp với điều kiện thực tế.

  4. Nguyên nhân gây ngập úng: Do hệ thống tiêu không đáp ứng được lưu lượng tiêu hiện tại, kết hợp với sự thu hẹp mặt cắt kênh, bồi lắng, công trình thủy lợi xuống cấp và sự gia tăng diện tích đất đô thị hóa, dẫn đến ngập úng kéo dài, ảnh hưởng đến năng suất nông nghiệp và đời sống dân cư.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống tiêu hiện trạng không đủ khả năng tiêu thoát nước cho lưu vực 690 ha, đặc biệt trong các trận mưa lớn với lượng mưa thiết kế 360,99 mm trong 5 ngày. Việc hiệu chỉnh hệ số tiêu nước dựa trên diện tích ao hồ điều hòa và khả năng chịu ngập của cây trồng là cần thiết để giảm áp lực tiêu thoát nước, đồng thời đảm bảo an toàn cho sản xuất nông nghiệp.

So sánh với các nghiên cứu trong khu vực đồng bằng Bắc Bộ, kết quả phù hợp với xu hướng chung về sự xuống cấp của các hệ thống thủy lợi cũ và nhu cầu cấp thiết phải nâng cấp, cải tạo. Việc sử dụng mô hình SWMM giúp mô phỏng chính xác dòng chảy và đánh giá hiệu quả các phương án cải tạo, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành hệ thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường tần suất mưa, bảng hệ số tiêu nước theo tiểu vùng, và bản đồ phân vùng tiêu nước để minh họa rõ ràng sự phân bố và hiệu quả tiêu thoát nước.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Cải tạo, nâng cấp trạm bơm Phù Đổng: Thay thế máy bơm cũ, nâng công suất đạt tối thiểu 100% lưu lượng thiết kế, cải tạo hệ thống điện và nhà máy bơm. Thời gian thực hiện dự kiến 2-3 năm, do Xí nghiệp Đầu tư Phát triển Thủy lợi Gia Lâm chủ trì.

  2. Nạo vét, mở rộng kênh tiêu chính và kênh nhánh: Loại bỏ bồi lắng, khôi phục mặt cắt ngang theo thiết kế, gia cố bờ kênh chống sạt lở. Thời gian thực hiện 1-2 năm, phối hợp giữa chính quyền địa phương và đơn vị quản lý thủy lợi.

  3. Xây dựng và cải tạo ao hồ điều hòa: Chuyển đổi một phần diện tích ao hồ thông thường thành ao hồ điều hòa kết hợp nuôi trồng thủy sản, tăng khả năng trữ và điều tiết nước, giảm áp lực tiêu thoát nước cho hệ thống. Thời gian thực hiện 3 năm, do các tổ chức nông nghiệp và địa phương phối hợp.

  4. Quản lý vận hành hệ thống tiêu nước đồng bộ: Xây dựng quy trình vận hành trạm bơm và hệ thống kênh tiêu, áp dụng công nghệ giám sát tự động để điều tiết nước hiệu quả, giảm thiểu ngập úng. Thời gian triển khai 1 năm, do Xí nghiệp Thủy lợi và chính quyền địa phương thực hiện.

  5. Tuyên truyền, nâng cao nhận thức cộng đồng: Hướng dẫn người dân về quản lý nước, bảo vệ công trình thủy lợi, hạn chế lấn chiếm kênh mương. Thời gian liên tục, do các tổ chức xã hội và chính quyền địa phương đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý thủy lợi và quy hoạch đô thị: Nhận diện các vấn đề kỹ thuật và giải pháp nâng cấp hệ thống tiêu thoát nước, phục vụ công tác quy hoạch và quản lý vùng ngập úng.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành thủy lợi, môi trường: Tham khảo phương pháp mô phỏng thủy văn, tính toán hệ số tiêu nước và ứng dụng mô hình SWMM trong đánh giá hệ thống thủy lợi.

  3. Chính quyền địa phương và các tổ chức phát triển nông thôn: Áp dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch cải tạo, nâng cấp hệ thống tiêu thoát nước, nâng cao đời sống và sản xuất nông nghiệp.

  4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp trong lĩnh vực thủy lợi, xây dựng: Tìm hiểu nhu cầu cải tạo, nâng cấp công trình thủy lợi, từ đó phát triển các dự án đầu tư phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải sử dụng mô hình mô phỏng SWMM trong nghiên cứu này?
    Mô hình SWMM cho phép mô phỏng chính xác dòng chảy trong hệ thống kênh tiêu phức tạp, đánh giá hiệu quả tiêu thoát nước và thử nghiệm các phương án cải tạo trước khi thực hiện thực tế, giúp giảm thiểu rủi ro và chi phí.

  2. Hệ số tiêu nước là gì và tại sao quan trọng?
    Hệ số tiêu nước biểu thị lượng nước cần tiêu thoát trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian, quyết định quy mô và công suất các công trình thủy lợi, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả tiêu thoát nước và an toàn sản xuất.

  3. Nguyên nhân chính gây ngập úng tại khu vực nghiên cứu là gì?
    Nguyên nhân chủ yếu là do hệ thống tiêu nước xuống cấp, công trình bồi lắng, thu hẹp mặt cắt kênh, máy bơm hư hỏng, kết hợp với sự gia tăng diện tích đất đô thị hóa và nhu cầu tiêu thoát nước tăng cao.

  4. Lượng mưa thiết kế được xác định như thế nào?
    Lượng mưa thiết kế được xác định dựa trên số liệu mưa quan trắc dài hạn tại trạm Láng, sử dụng phương pháp thống kê xác suất với tần suất 10%, chọn mô hình mưa điển hình có lượng mưa gần bằng lượng mưa thiết kế để mô phỏng.

  5. Các giải pháp cải tạo hệ thống tiêu nước có thể thực hiện trong thời gian ngắn không?
    Một số giải pháp như nạo vét kênh, sửa chữa nhỏ trạm bơm có thể thực hiện trong 1-2 năm, nhưng nâng cấp toàn diện trạm bơm và xây dựng ao hồ điều hòa cần thời gian 2-3 năm hoặc hơn, tùy thuộc vào nguồn lực và kế hoạch đầu tư.

Kết luận

  • Hệ thống tiêu trạm bơm Phù Đổng hiện trạng không đáp ứng được yêu cầu tiêu thoát nước cho lưu vực 690 ha, gây ngập úng nghiêm trọng ảnh hưởng đến sản xuất và đời sống.
  • Lượng mưa thiết kế 5 ngày với tần suất 10% là 360,99 mm, được sử dụng làm cơ sở tính toán lưu lượng tiêu và mô phỏng hệ thống.
  • Hệ số tiêu nước được tính toán chi tiết cho từng tiểu vùng, hiệu chỉnh dựa trên diện tích ao hồ điều hòa và khả năng chịu ngập của cây trồng, giúp tối ưu hóa yêu cầu tiêu thoát nước.
  • Các giải pháp cải tạo, nâng cấp trạm bơm, nạo vét kênh, xây dựng ao hồ điều hòa và quản lý vận hành đồng bộ là cần thiết để nâng cao hiệu quả hệ thống tiêu.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật quan trọng cho việc quy hoạch, đầu tư và quản lý hệ thống tiêu thoát nước tại huyện Gia Lâm, góp phần phát triển kinh tế - xã hội bền vững.

Tiếp theo, cần triển khai các đề xuất cải tạo, nâng cấp theo lộ trình cụ thể, đồng thời áp dụng mô hình mô phỏng để đánh giá hiệu quả sau cải tạo. Các nhà quản lý và chuyên gia thủy lợi được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu này nhằm nâng cao hiệu quả quản lý nguồn nước và phòng chống ngập úng.