Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống thủy lợi Xuân Thủy thuộc tỉnh Nam Định giữ vai trò huyết mạch trong việc bảo đảm an ninh nguồn nước và phát triển kinh tế khu vực ven biển đồng bằng sông Hồng. Với tổng diện tích tự nhiên 35.376,62 ha, trong đó đất nông nghiệp chiếm khoảng 20.902,5 ha trải rộng trên địa bàn 39 xã và 3 thị trấn thuộc hai huyện Xuân Trường và Giao Thủy, hệ thống đang phải đối mặt với nhiều thách thức nghiêm trọng về nguồn nước. Mạng lưới công trình gồm 244 km kênh cấp I cùng 56 cống qua đê được xây dựng qua nhiều thời kỳ lịch sử (từ năm 1935 và nâng cấp trong giai đoạn 1963-1976, 1996) hiện đã xuống cấp nghiêm trọng. Dưới tác động của biến đổi khí hậu, hiện tượng hạ thấp mực nước lòng sông và xâm nhập mặn diễn biến phức tạp: độ mặn đo được tại cống Ngô Đồng từng đạt đỉnh 26,5‰ vào năm 2010 và 23‰ vào năm 2011, làm thời gian lấy nước ngọt tự chảy bị thu hẹp chỉ còn 2 đến 3 giờ mỗi ngày.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xác lập cơ sở khoa học và đánh giá khả năng ứng dụng thực tiễn của các giải pháp cải tạo, nâng cấp công trình thủy lợi, từ đó tối ưu hóa hiệu quả cấp nước và hoàn thiện cơ chế quản lý vận hành hệ thống. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào toàn bộ các công trình đầu mối, mạng lưới kênh dẫn và nhu cầu dùng nước của 8 phân vùng tưới trong giai đoạn hiện trạng và định hướng sau năm 2020. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quyết định trong việc bảo đảm nguồn nước tưới ổn định cho 16.097 ha đất canh tác, 1.843,41 ha nuôi trồng thủy sản nước ngọt và đáp ứng nhu cầu sinh hoạt cho hơn 360.000 người dân nông thôn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cân bằng nước mặt ruộng và lý thuyết bốc thoát hơi nước tiêu chuẩn. Phương trình cân bằng nước mặt ruộng tổng quát được thiết lập dưới dạng:

$$h_{ci} = h_{0i} + \sum m_i + \sum P_{0i} - \sum K_i - \sum ET_{ci} - \sum C_i$$

Trong đó các thông số chính phản ánh sự tương tác giữa lượng nước đến (mưa $P_{0i}$, nước tưới $m_i$) và lượng nước hao (ngấm $K_i$, bốc thoát hơi nước $ET_{ci}$, nước tháo $C_i$) qua từng chu kỳ sinh trưởng của cây trồng.

Để xác định chính xác nhu cầu nước mặt ruộng, mô hình bốc thoát hơi nước tiêu chuẩn Penman được ứng dụng với phương trình:

$$ET_0 = C [W R_n + (1 - W) f(v) (e_a - e_d)]$$

Kết hợp cùng hệ số cây trồng ($K_c$) theo từng giai đoạn thực tế. Các khái niệm then chốt bao gồm: bốc thoát hơi nước tiềm năng ($ET_0$), hệ số suy giảm dòng chảy mùa kiệt, quá trình ngấm bão hòa tầng đất canh tác và ranh giới xâm nhập mặn $1‰$. Quá trình tính toán còn dựa trên các thông số cơ lý đất như độ rỗng $A = 43%$, hệ số ngấm ban đầu $K_1 = 35\text{ mm/ngày}$ và chiều sâu tầng canh tác $H = 0,45\text{ m}$.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tích hợp ba nhóm phương pháp: tổng quan tài liệu, điều tra thực địa và mô hình hóa nội nghiệp. Nguồn số liệu khí tượng thủy văn được thu thập liên tục trong chuỗi thời gian 21 năm (1992 - 2012) từ trạm khí tượng Văn Lý và trạm đo mưa Xuân Thủy. Cỡ mẫu tính toán bao trùm 100% mạng lưới công trình đầu mối gồm 56 cống qua đê, 124 cống điều tiết trên kênh cấp I và 51 trạm bơm tưới cố định trên 8 phân vùng lưu vực tưới.

Phương pháp chọn mẫu điển hình được áp dụng dựa trên phân tích tần suất mưa thiết kế $P = 85%$ bằng phần mềm chuyên dụng FFC2008. Kết quả xác định lượng mưa năm thiết kế là $1.300\text{ mm}$, tương ứng với năm điển hình 2007 có lượng mưa quan trắc thực tế đạt $1.296,9\text{ mm}$. Thay vì áp dụng phương pháp đồ giải truyền thống vốn tiềm ẩn nhiều sai số chủ quan, nghiên cứu lựa chọn phương pháp giải tích theo từng ngày tích hợp trên bảng tính Excel. Lựa chọn này giúp mô phỏng chi tiết quá trình ngấm bão hòa kéo dài $t_b = 3,0\text{ ngày}$ và tính toán chính xác chế độ tưới cho từng đối tượng cây trồng, hoa màu và thủy sản.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, xâm nhập mặn sâu và mực nước sông hạ thấp là rào cản lớn nhất làm tê liệt khả năng lấy nước tự chảy. Mực nước sông Đào tại Nam Định ghi nhận mức thấp lịch sử là $-0,62\text{ m}$ vào ngày 16/3/2011 và tại sông Ninh Cơ ở Phú Lễ là $-1,02\text{ m}$. Độ mặn đo được tại cống số 7 (cống đầu nguồn sông Hồng) đạt $3,9‰$ (ngày 12/2/2011) và từng lên tới $7,9‰$ (ngày 16/01/2010), khiến thời gian mở cống lấy nước sụt giảm từ 8-10 giờ/ngày xuống chỉ còn 30 phút đến 2 giờ/ngày.

Thứ hai, hạ tầng công trình đầu mối và mạng lưới truyền dẫn bị suy thoái nghiêm trọng. Khoảng 60 kênh cấp I với chiều dài 244 km và 743 kênh cấp II dài 838 km đều bị bồi lắng lòng dẫn, sạt lở bờ kênh, làm tiết diện dòng chảy co hẹp hơn 30% so với thiết kế ban đầu. Hệ thống cống qua đê xây dựng bằng gạch vữa vôi từ những năm 1960 xuất hiện nhiều vị trí lún nứt, rò rỉ mặn và xói lở hạ lưu.

Thứ ba, sự dịch chuyển cơ cấu sử dụng đất tạo ra mâu thuẫn gay gắt về nhu cầu dùng nước. Diện tích đất trồng lúa giảm từ 13.666 ha (năm 2013) xuống 12.900 ha (năm 2020), trong khi diện tích nuôi trồng thủy sản nước ngọt duy trì ở mức 1.843,41 ha và đất công nghiệp tăng lên 683 ha với tỷ lệ lấp đầy đạt 100%. Nhu cầu cấp nước cho đàn gia súc với hơn 152.000 con lợn và nuôi trồng thủy sản tạo áp lực cục bộ rất lớn lên các kênh tiếp nước như kênh Láng và kênh Cồn Nhất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản của tình trạng thiếu nước bắt nguồn từ việc vận hành xả nước của các hồ chứa thủy điện thượng lưu sông Hồng không trùng khớp với lịch thời vụ lấy nước triều hạ du, kết hợp với hiện tượng xói lở hạ thấp lòng dẫn sông Hồng tại khu vực Mom Rô. Khi so sánh với các báo cáo quy hoạch thủy lợi trước đây, nghiên cứu chỉ ra rằng các tính toán thiết kế cũ chỉ chú trọng đến canh tác lúa truyền thống mà chưa dự báo được áp lực từ công nghiệp hóa và nuôi trồng thủy sản.

Dữ liệu nghiên cứu được trực quan hóa thông qua các bảng tổng hợp khí tượng nhiều năm (với nhiệt độ trung bình năm $23,6^\circ\text{C}$, lượng bốc hơi bình quân $93,2\text{ mm/tháng}$, lượng mưa $1.640,8\text{ mm}$) và các biểu đồ quá trình mực nước $H_{\text{max}}$ kết hợp độ mặn thực đo tại cống Cồn Nhất và cống Ngô Đồng. Phát hiện này khẳng định tính cấp thiết phải chuyển đổi phương thức tiếp nước từ tự chảy thụ động sang vận hành điều tiết cưỡng bức bằng động lực và tự động hóa giám sát độ mặn.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, cải tạo và hiện đại hóa cụm công trình đầu mối lấy nước ven sông Hồng và sông Ninh Cơ. Tiến hành gia cố, nối dài khẩu độ và thay thế cánh cống hư hỏng tại cống Ngô Đồng, cống Hạ Miêu I, cống Chúa và cống Kẹo; lắp đặt hệ thống cảm biến đo mặn và đóng mở cửa van tự động SCADA nhằm nâng thời gian mở cống lấy nước thêm 2 đến 4 giờ mỗi ngày trong vụ Đông Xuân. Timeline triển khai: giai đoạn 2022 - 2025; đơn vị thực hiện: Công ty TNHH một thành viên KTCTTL Xuân Thủy chủ trì.

Thứ hai, nạo vét, kiên cố hóa hệ thống kênh trục và kênh tiếp nước liên vùng. Tập trung nạo vét mở rộng mặt cắt đáy cho 244 km kênh cấp I và 838 km kênh cấp II, đặc biệt là tuyến kênh Láng - Ngô Đồng - Giao Sơn và Cồn Nhất - Bình Điền - Cồn Năm, nhằm tăng lưu lượng truyền dẫn nước ngọt xuống vùng phía Nam Giao Thủy thêm 25%, giảm tổn thất rò rỉ xuống dưới 15%. Timeline triển khai: giai đoạn 2023 - 2026; đơn vị thực hiện: Sở Nông nghiệp & PTNT tỉnh Nam Định phối hợp với UBND huyện Xuân Trường và Giao Thủy.

Thứ ba, nâng cấp và chuyển đổi công nghệ hệ thống trạm bơm điện. Thay thế toàn bộ các máy bơm trục ngang cũ kỹ tại 28 trạm bơm do công ty quản lý bằng các tổ máy bơm chìm cột áp thấp tiết kiệm 20% điện năng tiêu thụ, đồng thời bố trí bổ sung các cụm trạm bơm dã chiến công suất từ $5.000\text{ m}^3/\text{h}$ tại các vị trí đầu mối thường xuyên bị cạn kiệt nguồn nước. Timeline triển khai: giai đoạn 2024 - 2027; đơn vị thực hiện: Công ty TNHH một thành viên KTCTTL Xuân Thủy.

Thứ tư, hoàn thiện thể chế quản lý và củng cố tổ chức thủy nông cơ sở. Triển khai nghiêm ngặt Thông tư 65/2009/TT-BNNPTNT và Quyết định 13/2010/QĐ-UBND của UBND tỉnh Nam Định; thành lập và nâng cao năng lực cho các tổ hợp tác dùng nước tại 39 xã để quản lý hiệu quả 5.019 tuyến kênh cấp III và 4.804 cống nội đồng; xử lý dứt điểm 100% các vi phạm lấn chiếm hành lang công trình thủy lợi. Timeline thực hiện: thường xuyên từ năm 2022 trở đi; đơn vị thực hiện: UBND các xã, thị trấn và các Hợp tác xã Nông nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, cơ quan quản lý nhà nước và doanh nghiệp khai thác công trình thủy lợi, bao gồm Sở Nông nghiệp & PTNT tỉnh Nam Định và Công ty TNHH một thành viên KTCTTL Xuân Thủy. Luận văn cung cấp luận cứ khoa học để xây dựng kế hoạch phân bổ vốn đầu tư công, phê duyệt dự án nạo vét 244 km kênh cấp I và ban hành quy trình đóng mở 56 cống qua đê thích ứng với diễn biến mặn.

Thứ hai, các kỹ sư và chuyên gia tư vấn quy hoạch tài nguyên nước. Nhóm đối tượng này có thể kế thừa mô hình cân bằng nước giải tích và bộ tham số bốc thoát hơi nước Penman ($ET_0$) để áp dụng thiết kế cho các hệ thống thủy nông ven biển có đặc điểm địa hình và chế độ nhật triều tương tự tại đồng bằng sông Hồng.

Thứ ba, các nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Thủy lợi, Thủy văn và Biến đổi khí hậu. Tài liệu cung cấp chuỗi số liệu thực đo giá trị 21 năm về lượng mưa, mực nước và diễn biến mặn cực hạn (23‰ đến 26,5‰) phục vụ các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về xâm nhập mặn cửa sông.

Thứ tư, cán bộ quản lý Hợp tác xã Nông nghiệp và chính quyền cấp cơ sở tại hai huyện Xuân Trường và Giao Thủy. Luận văn mang đến cẩm nang thực tiễn về kỹ thuật điều tiết nước mặt ruộng theo giai đoạn phát triển của cây trồng, giúp quản lý tốt 5.019 kênh cấp III và giảm lãng phí nguồn nước tưới.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân chính khiến hệ thống thủy lợi Xuân Thủy bị thiếu nước tưới trong vụ Đông Xuân là gì?
Nguyên nhân chủ yếu do biến đổi khí hậu làm mực nước sông Hồng hạ thấp kỷ lục (tại Nam Định đạt $-0,62\text{ m}$ năm 2011) kết hợp với xâm nhập mặn sâu từ biển Đông. Nồng độ mặn tại cống Ngô Đồng lên tới 23‰ - 26,5‰, khiến các cống đầu mối không thể mở tự chảy, làm giảm thời gian lấy nước xuống chỉ còn 2-3 giờ/ngày.

Phương pháp Penman kết hợp giải tích mang lại lợi thế gì so với phương pháp tính toán truyền thống?
Phương pháp Penman phản ánh chính xác lượng bốc thoát hơi nước tiềm năng thông qua bức xạ mặt trời, nhiệt độ ($23,6^\circ\text{C}$), gió và độ ẩm không khí. Việc giải phương trình cân bằng nước bằng phương pháp giải tích hàng ngày trên Excel loại bỏ hoàn toàn sai số chủ quan của phương pháp đồ giải, kiểm soát chặt chẽ quá trình ngấm $3,0\text{ ngày}$ của đất.

Sự dịch chuyển cơ cấu kinh tế tại hai huyện Xuân Trường và Giao Thủy làm thay đổi bài toán cấp nước ra sao?
Diện tích đất canh tác lúa giảm dần từ 13.666 ha xuống 12.900 ha, nhường chỗ cho các khu công nghiệp mở rộng lên 683 ha và vùng nuôi trồng thủy sản nước ngọt 1.843,41 ha. Sự thay đổi này đòi hỏi hệ thống thủy lợi phải chuyển đổi từ phục vụ đơn ngành nông nghiệp sang cấp nước đa mục tiêu chất lượng cao.

Trách nhiệm quản lý các tuyến kênh mương và công trình thủy lợi được phân cấp cụ thể như thế nào?
Theo Quyết định 13/2010/QĐ-UBND tỉnh Nam Định, Công ty TNHH MTV KTCTTL Xuân Thủy chịu trách nhiệm quản lý 60 kênh cấp I, 743 kênh cấp II, các cống qua đê và 28 trạm bơm lớn. Trong khi đó, các Hợp tác xã Nông nghiệp trực tiếp quản lý, duy tu 5.019 kênh cấp III, 4.804 cống nội đồng và 25 trạm bơm cục bộ.

Giải pháp công trình nào được đánh giá là cấp bách nhất để cứu hạn cho vùng hạ lưu Giao Thủy?
Giải pháp cấp bách nhất là nâng cấp cống Ngô Đồng, cống Cát Xuyên và cải tạo nạo vét thông suốt tuyến kênh chuyển nước Láng - Giao Sơn và Cồn Nhất. Kết hợp lắp đặt trạm quan trắc tự động đo mặn để tận dụng tối đa từng khung giờ triều ngọt, đưa nước về tiếp ứng kịp thời cho 17 xã ven biển huyện Giao Thủy.

Kết luận

  • Hệ thống thủy lợi Xuân Thủy với diện tích tự nhiên 35.376,62 ha đang đối mặt với nguy cơ hạn mặn gay gắt khi nồng độ mặn cửa sông vượt ngưỡng 23‰ - 26,5‰ và mực nước kiệt hạ thấp kỷ lục.
  • Nghiên cứu đã ứng dụng thành công phương trình cân bằng nước mặt ruộng kết hợp mô hình Penman trên chuỗi dữ liệu 21 năm, tính toán chuẩn xác nhu cầu tưới cho 16.097 ha đất canh tác với tần suất mưa thiết kế $P = 85%$.
  • Đánh giá toàn diện hiện trạng xuống cấp của 56 cống qua đê, 244 km kênh cấp I và 838 km kênh cấp II, làm rõ mâu thuẫn giữa nhu cầu dùng nước đa ngành với năng lực đáp ứng của công trình.
  • Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp công trình và phi công trình đồng bộ, trọng tâm là tự động hóa cống đầu mối, kiên cố hóa kênh tiếp nước liên vùng và hiện đại hóa 28 trạm bơm điện cố định.
  • Hoàn thiện mô hình quản lý theo chuỗi phân cấp, phát huy vai trò của tổ hợp tác dùng nước cơ sở tại 39 xã để bảo vệ chất lượng nước và vận hành bền vững 5.019 kênh cấp III.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là cung cấp cơ sở khoa học và bộ giải pháp công nghệ có tính khả thi cao nhằm giải quyết triệt để bài toán hạn mặn cho vùng hạ du sông Hồng. Lộ trình triển khai khuyến nghị chia làm 2 giai đoạn: ưu tiên hiện đại hóa công trình đầu mối và nạo vét trục kênh chính trong giai đoạn 2022 - 2025, hoàn thiện kiên cố hóa nội đồng và chuyển đổi trạm bơm trong giai đoạn 2025 - 2030. Các cơ quan quản lý và đơn vị khai thác thủy nông cần nhanh chóng phê duyệt áp dụng các đề xuất này vào kế hoạch phát triển hạ tầng nguồn nước địa phương.