Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học đề xuất giải pháp nhằm nâng cao năng lực và hiệu quả của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong điều kiện biến đổi khí hậu nước biển dâng" do nghiên cứu sinh La Đức Dũng thực hiện tại Trường Đại học Thủy lợi, thuộc chuyên ngành Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước (mã số: 62-62-30-01), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS Nguyễn Tuấn Anh và GS. TS Đào Xuân Học (bảo vệ năm 2017).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Hệ thống thủy nông Bắc Nam Hà (BNH) có diện tích tiêu úng trong đê là 85.326 ha (tổng diện tích tự nhiên 91.326 ha), trải rộng trên 8 huyện, thị thuộc hai tỉnh Nam Định và Hà Nam. Đây là một trong những hệ thống tiêu úng bằng động lực lớn nhất tại khu vực Đồng bằng Bắc Bộ. Hệ thống được đầu tư xây dựng từ thập niên 1960–1970 với 6 cụm trạm bơm điện lớn (Như Trác, Hữu Bị, Cốc Thành, Cổ Đam, Vĩnh Trị, Nhâm Tràng) có tổng lưu lượng thiết kế ban đầu đạt 220 $\text{m}^3/\text{s}$, hệ số tiêu trung bình toàn vùng đạt 2,9 l/s/ha. Qua quá trình bổ sung các trạm bơm Nhân Hòa, Vĩnh Trị 2, Sông Chanh, Quang Trung..., tổng lưu lượng tiêu đã tăng lên 350,49 $\text{m}^3/\text{s}$, đưa hệ số tiêu lên mức 4,67 l/s/ha.

Tuy nhiên, trước tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng (BĐKH, NBD), sự gia tăng của lượng mưa cực đoan, kết hợp quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa nhanh làm suy giảm mạnh diện tích ao hồ trữ nước tự nhiên và thay đổi hệ số dòng chảy mặt, nhu cầu tiêu nước của lưu vực tăng vọt. Trong khi đó, các công trình đầu mối đã qua 40–50 năm vận hành bị xuống cấp, hiệu suất thực tế chỉ đạt 75–80% so với thiết kế; lòng dẫn hệ thống sông trục chính bị bồi lắng sâu từ 1 đến 2 m gây nghẽn dòng; việc chọn mực nước sông thiết kế trạm bơm theo quy chuẩn hiện hành (tần suất 10%) bộc lộ sự lãng phí điện năng lớn khi vận hành thực tế. Do đó, việc xây dựng cơ sở khoa học đồng bộ để đánh giá và đưa ra giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao năng lực, hiệu quả cho toàn bộ hệ thống tiêu Bắc Nam Hà là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu chính:

  1. Đánh giá tác động và khả năng đáp ứng yêu cầu tiêu của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong điều kiện BĐKH, NBD theo các giai đoạn hiện tại, 2030 và 2050.
  2. Xây dựng cơ sở khoa học cho việc đề xuất các giải pháp công trình và phi công trình nhằm nâng cao năng lực, hiệu quả quản lý vận hành của hệ thống Bắc Nam Hà.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống tiêu nước bằng động lực; nhu cầu tiêu nước và các giải pháp tiêu nước mặt do tác động đồng thời của các yếu tố tự nhiên (mưa, lũ ngoài sông, triều) và xã hội (sử dụng đất, đô thị hóa, suy giảm hồ trữ).
  • Phạm vi không gian: Lưu vực hệ thống tiêu Bắc Nam Hà thuộc địa giới hành chính tỉnh Nam Định (TP. Nam Định, huyện Mỹ Lộc, Vụ Bản, Ý Yên) và tỉnh Hà Nam (TP. Phủ Lý, huyện Thanh Liêm, Bình Lục, Lý Nhân), cùng các vùng đồng bằng có điều kiện tương tự.
  • Phạm vi thời gian và kịch bản: Đánh giá trong giai đoạn hiện trạng và dự báo theo các mốc thời gian 2030, 2050 ứng với kịch bản phát thải trung bình (RCP4.5 và B2).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng hợp và phân tích có hệ thống các nhóm công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến các khía cạnh chuyên môn:

Nhóm nghiên cứu quốc tế về tác động của BĐKH đến hệ thống tiêu

  • Grum M. và Jorgensen (2006): Ứng dụng mô hình khí hậu vùng (RCM) để đánh giá tác động của BĐKH đến cường độ mưa và dòng chảy thoát nước đô thị.
  • Svensson và cộng sự (2006): Phân tích sự thay đổi biểu đồ mưa và đề xuất chiến lược thích ứng cho các hệ thống tiêu nước ở Bắc Âu (Helsingborg, Kalmar - Thụy Điển; Odense - Đan Mạch).
  • Berggren (2007): Xây dựng bộ chỉ số đánh giá tác động của BĐKH đối với hệ thống tiêu dựa trên tình trạng trước, trong và sau mỗi trận mưa ngập.
  • Linmei Nie, Oddvar Lindholm và cộng sự (2009): Nghiên cứu tại Fredrikstad (Na Uy), chỉ ra lượng nước ngập tại giếng thu tăng 2–4 lần và lưu lượng tràn cống tăng 1,5–3 lần so với mức tăng của lượng mưa.
  • Rosenberg (2010): Đánh giá mưa cực hạn tại bang Washington (Mỹ) bằng mô hình WRF thu phóng từ ECHAM5, CCSM3 và mô hình thủy văn HSPF, kết luận công trình tiêu thiết kế theo số liệu thế kỷ 20 cần được nâng cấp tiêu chuẩn.
  • Saiful Islam và cộng sự (2013): Sử dụng mô hình SWMM mô phỏng 3 thị trấn ven biển Bangladesh theo kịch bản SRES A1B (mô hình RegCM3), kết hợp DEM 10 m.
  • Ahmed S. và Tsanis I. (2016): Đánh giá lưu vực miền núi Canada bằng phân bố xác suất L-moment và mô hình SWMM theo kịch bản SRES A2 (chương trình NARCCAP).

Nhóm nghiên cứu tại Việt Nam

  • Bùi Nam Sách (2008): Đánh giá hệ thống thủy nông Nam Thái Bình; tính toán hệ số tiêu tăng từ 5,62% đến 35,65% khi mưa tăng tương ứng, diện tích tiêu tự chảy giảm từ 82,54% xuống 33,10% vào năm 2100 và công trình hiện tại chỉ đáp ứng được 45–60% nhu cầu tiêu.
  • Viện Quy hoạch Thủy lợi (2011, 2012): Đánh giá BĐKH vùng Đồng bằng Bắc Bộ; dự báo lượng mưa 5 ngày lớn nhất tăng 2–5% (năm 2020), 6% (năm 2030) và 7–9% (năm 2050); mực nước sông Đáy tại Ba Thá tăng thêm 1,28 m (2030) và 1,40 m (2050), tại Phủ Lý tăng 0,73 m (2030) và 1,10 m (2050).
  • Thái Hoàng Vũ (2010), Phạm Thế Vinh và cộng sự (2010): Ứng dụng SWMM mô phỏng tiêu thoát nước cho đô thị Hội An và TP. Hồ Chí Minh trong bối cảnh BĐKH, triều dâng.
  • Vũ Trọng Bằng (2014), Đồng Xuân Nghĩa (2014): Nghiên cứu nhu cầu tiêu cho trạm bơm Đông Mỹ và lưu vực Phú Sơn – Yên Bồ (Hà Nội) theo kịch bản B2 (2012) bằng SWMM.
  • Nguyễn Ân Niên, Nguyễn Phú Quỳnh (2014): Nghiên cứu quy luật mực nước triều dâng và biến thiên chân triều làm cơ sở xác định khẩu độ cống vùng bao đê Đồng bằng sông Cửu Long.

Nhóm nghiên cứu về phương pháp xác định mực nước sông thiết kế trạm bơm tiêu

  • Hoàng Lâm Viện (2000, 2008): Khẳng định việc lấy tần suất $P = 10%$ làm mực nước sông thiết kế là thiên lớn, gây lãng phí $60–80%$ năng lượng tiêu thụ; đề xuất lấy mực nước trung bình vụ tiêu ứng với tần suất $P = 50%$.
  • Trần Thanh Thủy (1993): Khảo cứu kinh nghiệm của Ty Thủy lợi Giang Tô (Trung Quốc) về việc áp dụng tần suất mực nước sông $P = 50%$ khi mưa đồng và lũ sông không có quan hệ tương quan chặt.
  • Bùi Văn Hức (2009): Đưa ra công thức $Z_{\text{sTK}} = K \cdot \bar{Z}_{\text{tb}}$ với $K \approx 1$ (tương đương tần suất quanh mức 50%).
  • Đỗ Minh Thu (2014): Nghiên cứu hạ thấp cao trình đáy cống tháo qua đê để giảm cột nước địa hình dư thừa, nhưng chưa xét tới sự suy giảm hiệu suất của máy bơm khi làm việc xa điểm công tác thiết kế chuẩn.

Nhóm nghiên cứu về quản lý vận hành hệ thống Bắc Nam Hà

  • Trịnh Quang Hòa, Dương Văn Tiển và cộng sự (1995): Xây dựng hệ điều hành quản lý 6 trạm bơm điện lớn phục vụ quản trị khí tượng, thủy văn và điều tiết đường mặt nước.
  • Phạm Việt Hòa và cộng sự (2010): Xác định các nguyên nhân ngập úng và lập quy hoạch phát triển hệ thống Bắc Nam Hà (được Bộ Nông nghiệp & PTNT phê duyệt tại Quyết định số 1296/QĐ-BNN-TCTL ngày 15/6/2011).
  • Nguyễn Thanh Hương (2010): Phân chia 64 ô tiêu cơ bản, thiết lập quan hệ $F \sim Z$ và xây dựng mô hình tiêu nội đồng cho hệ thống.
  • Nguyễn Thị Việt Hồng (2012): Nghiên cứu giải pháp phân vùng tiêu và nâng cấp khu tiêu Vĩnh Trị.

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn giải quyết

  1. Các nghiên cứu trước sử dụng quan hệ tương quan giữa mưa mùa/mưa năm với mưa ngắn ngày để ngoại suy mưa thiết kế tương lai, vốn có hệ số tương quan rất thấp; chưa cập nhật bộ kịch bản BĐKH phiên bản 2016 theo nồng độ phát thải đặc trưng (RCP).
  2. Chưa có đánh giá chi tiết, toàn diện về khả năng làm việc của các trạm bơm tiêu động lực lớn tại Bắc Nam Hà dưới tác động tổng hợp của BĐKH, NBD và suy thoái diện tích trữ nước.
  3. Chưa thiết lập được mô hình định lượng tường minh về mối quan hệ giữa hệ số tiêu ($q$), tỷ lệ diện tích hồ điều hòa ($\alpha$) và chiều sâu lớp nước trữ ($H_{\text{trữ}}$) làm căn cứ quy hoạch không gian trữ nước.
  4. Bài toán lựa chọn mực nước sông thiết kế trạm bơm tiêu chưa được giải quyết tối ưu trên quan điểm phân tích hệ thống — chưa kết hợp hài hòa giữa chi phí đầu tư xây dựng công trình tháo và chi phí điện năng vận hành suốt vòng đời dự án.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Lý thuyết thủy lực và tiêu thoát nước mặt: Sử dụng hệ thống công thức tính toán tiêu nước mặt ruộng theo Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 10406:2015 ("Công trình thủy lợi - Tính toán hệ số tiêu thiết kế"). Mô hình tính toán tiêu cho ruộng lúa dựa trên phương trình cân bằng nước qua đập tràn ở hai chế độ: chảy tự do và chảy ngập kết hợp tiêu chuẩn chịu ngập của lúa theo từng thời đoạn phát triển:
    • Chảy tự do: $$q_i = m \cdot b_0 \cdot \sqrt{2g} \cdot H_i^{3/2}$$
    • Chảy ngập: $$q_i = \sigma_n \cdot m \cdot b_0 \cdot \sqrt{2g} \cdot H_i^{3/2}$$ với sự biến thiên lớp nước mặt ruộng: $\Delta H_i = H_i - H_{i-1} = P_i - E_i - q_i$.
    • Đối với các đối tượng phi nông nghiệp (đô thị, khu công nghiệp, cây trồng cạn): $$q_i = \frac{C \cdot P_i}{[T] + t_i}$$ với $C$ là hệ số dòng chảy thực nghiệm ($C \le 1,0$), $[T]$ là thời gian chịu ngập cho phép.
  • Lý thuyết phân tích hệ thống và tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật: Thiết lập hàm mục tiêu tìm giá trị mực nước sông thiết kế ($Z_{\text{sTK}}$) sao cho tổng chi phí xây dựng công trình tháo ($C_{\text{xd}}$) và chi phí điện năng tiêu thụ vận hành quy về năm đầu ($C_{\text{đnj}}$) đạt giá trị cực tiểu: $$C_{\text{tổng}} = C_{\text{xd}} + C_{\text{đnj}} \to \min$$

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  1. Phương pháp kế thừa: Tiếp thu có chọn lọc chuỗi dữ liệu lịch sử, các quy hoạch thủy lợi và các nghiên cứu chuyên ngành liên quan đến hệ thống thủy nông Bắc Nam Hà.
  2. Phương pháp điều tra, thu thập số liệu: Khảo sát hiện trạng công trình đầu mối, trắc dọc kênh trục, cống điều tiết nội đồng và biến động sử dụng đất tại 8 huyện, thành phố thuộc Nam Định và Hà Nam.
  3. Phương pháp phân tích thống kê: Xử lý chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn 33 năm (1980–2012) tại 4 trạm đo đại diện, tính toán đường tần suất lý luận Pearson III, xác định lượng mưa 5 ngày lớn nhất ($X_{5\text{ngày}}^{\max}$) tần suất $10%$.
  4. Phương pháp mô hình hóa thủy văn - thủy lực: Sử dụng phần mềm mô phỏng dòng chảy mạng lưới SWMM 5 (Storm Water Management Model) để mô phỏng ngập úng mạng lưới kênh trục, kiểm tra năng lực tháo dỡ của cống điều tiết và các trạm bơm tiêu đầu mối.
  5. Phương pháp tối ưu hóa: Lập thuật toán và viết chương trình tính toán tối ưu tìm điểm công tác và mực nước bể tháo thiết kế cho trạm bơm tiêu.

Nguồn tư liệu và dữ liệu sử dụng

  • Số liệu đo mưa ngày, lượng mưa trận liên tục 33 năm (1980–2012) từ Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia tại 4 trạm khống chế: Hưng Yên (sông Hồng), Phủ Lý (sông Đáy/sông Châu), Nam Định (sông Đào), Ninh Bình (sông Đáy).
  • Số liệu mực nước thực đo tại các trạm thủy văn và mực nước thiết kế bể hút, bể xả tại 6 trạm bơm điện lớn.
  • Kịch bản Biến đổi khí hậu và Nước biển dâng cho Việt Nam do Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố (kịch bản B2 năm 2012 và kịch bản cập nhật năm 2016 theo các đường nồng độ đại diện RCP4.5, RCP8.5).
  • Hồ sơ kỹ thuật, thông số máy bơm, tài liệu quản lý vận hành thực tế từ Công ty TNHH MTV Khai thác công trình thủy lợi Bắc Nam Hà và Viện Quy hoạch Thủy lợi.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày khái quát về điều kiện tự nhiên, hệ thống công trình thủy lợi Bắc Nam Hà, đồng thời tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan.

  • Đặc điểm địa lý và địa hình: Lưu vực Bắc Nam Hà có địa hình dạng lòng chảo phức tạp, cao thấp xen kẽ, dốc nghiêng từ Tây Bắc xuống Đông Nam, được bao bọc khép kín bởi 4 tuyến sông lớn: sông Hồng (phía Đông và Bắc, dài 36 km), sông Đào (phía Nam, dài 30 km), sông Đáy (phía Tây và Nam, dài 65 km) và sông Châu (phía Bắc). Cao độ mặt ruộng phân bố chủ yếu từ $+0,75$ m đến $+1,50$ m; các vùng trũng cục bộ tại Ý Yên, Bình Lục, Vụ Bản có cao độ chỉ từ $+0,70$ m đến $+0,80$ m.
Cao độ (m) Diện tích (ha) Tỷ lệ (%) Cộng dồn (%)
$< +0,5$ 3.491,25 3,82 3,82
$+0,5 \div +1,0$ 42.600,00 46,65 50,47
$+1,0 \div +1,5$ 38.453,64 42,10 92,57
$> +1,5$ 3.444,25 3,77 96,34
Đồi núi 406,25 0,47 96,81
Ao hồ 2.374,86 3,19 100,00
  • Đặc điểm thủy văn và mực nước lũ ngoại biên: Khu vực chịu chế độ nhật triều Vịnh Bắc Bộ với biên độ dao động từ 1,6 m đến 1,7 m (lớn nhất đạt 3,31 m). Mực nước lũ ngoài các sông chính vào mùa mưa thường xuyên dâng cao hơn mặt ruộng trong đồng từ 6 đến 7 m, loại trừ hoàn toàn khả năng tiêu tự chảy trong mùa lũ, buộc toàn bộ hệ thống phải phụ thuộc vào tiêu động lực.
Vị trí trạm bơm Tuyến sông Báo động I (m) Báo động II (m) Báo động III (m) $H_{\max}$ bể xả (m) $H_{\min}$ bể hút (m)
Như Trác Sông Hồng $+4,60$ $+5,40$ $+6,20$ $+6,30$ $+0,20$
Hữu Bị Sông Hồng $+3,80$ $+4,80$ $+5,80$ $+5,20$ $+0,30$
Cổ Đam Sông Đáy $+2,10$ $+2,90$ $+3,60$ $+4,90$ $-0,60$
Vĩnh Trị Sông Đáy $+1,90$ $+2,60$ $+3,40$ $+4,10$ $-0,60$
Cốc Thành Sông Đào $+3,00$ $+3,60$ $+4,20$ $+4,60$ $-0,60$
  • Hiện trạng công trình và phân vùng tiêu: Toàn hệ thống có 15 trạm bơm tiêu lớn cùng 477 trạm bơm cục bộ nội đồng; mạng lưới dẫn nước gồm 10.077 km kênh mương các cấp (195 kênh cấp I dài 973 km; 2.151 kênh cấp II dài 2.230 km; kênh cấp III dài 6.244 km) và 243 cống dưới đê chính. Không gian tiêu được chia thành 8 phân lưu vực: Như Trác, Hữu Bị, Cốc Thành, Vĩnh Trị, Cổ Đam, Nhâm Tràng, Đinh Xá - Triệu Xá và Quang Trung. Sự phân bố lưu vực còn nhiều bất cập, điển hình như lưu vực Vĩnh Trị có trục sông Sắt dài tới 37,7 km nhưng hệ số tiêu thiết kế chỉ đạt 1,90 l/s/ha, dẫn đến ngập úng triền miên tại các vùng xa đầu mối.

CHƯƠNG 2: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TIÊU ÚNG CỦA HỆ THỐNG TIÊU BẮC NAM HÀ TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU, NƯỚC BIỂN DÂNG

Chương 2 tập trung tính toán mô hình mưa tiêu thiết kế, xác định hệ số tiêu và mô phỏng thủy lực bằng mô hình SWMM 5 để đánh giá năng lực tiêu của hệ thống qua các mốc thời gian.

  • Xác định mô hình mưa tiêu thiết kế 5 ngày lớn nhất ($X_{5\text{ngày}}^{\max}$): Phân tích thống kê 33 năm tại 4 trạm đo cho thấy mưa trong vùng có tính chất bao: $76–85%$ số trận mưa 3 ngày lớn nhất nằm trọn trong trận mưa 5 ngày lớn nhất và chiếm tới $85–91%$ tổng lượng mưa; đồng thời lượng mưa 5 ngày lớn nhất tương đương $90–99%$ lượng mưa của trận 7 ngày lớn nhất. Do đó, luận án lựa chọn trận mưa 5 ngày max tần suất thiết kế $P = 10%$ để tính toán tiêu úng.
Trạm đo Tỷ lệ trận 3 ngày max trong 5 ngày max Tỷ trọng $X_3/X_5$ Tỷ lệ trận 5 ngày max trong 7 ngày max Tỷ trọng $X_5/X_7$ Số trận có $X_5 \approx X_7$ ($>90%$)
Nam Định 25/33 (76%) 88% 19/33 (58%) 93% 25/33
Ninh Bình 28/33 (85%) 91% 21/33 (64%) 93% 21/33
Phủ Lý 26/33 (79%) 88% 18/33 (55%) 92% 22/33
Hưng Yên 17/33 (51%) 85% 18/33 (54%) 89% 21/33

Mô hình mưa tiêu thiết kế ($P = 10%$) thời kỳ hiện tại được xây dựng bằng cách thu phóng qua hệ số $K_p$ từ các trận mưa điển hình lịch sử:

  • Trạm Hưng Yên (điển hình 1980, $K_p = 1,084$): Ngày 1: 44,2 mm; Ngày 2: 50,4 mm; Ngày 3: 11,4 mm; Ngày 4: 158,8 mm; Ngày 5: 54,2 mm (Tổng lượng: 319,0 mm).
  • Trạm Nam Định (điển hình 1983, $K_p = 1,010$): Ngày 1: 21,4 mm; Ngày 2: 40,7 mm; Ngày 3: 98,3 mm; Ngày 4: 135,6 mm; Ngày 5: 85,5 mm (Tổng lượng: 381,5 mm).
  • Trạm Ninh Bình (điển hình 2003, $K_p = 1,010$): Ngày 1: 30,4 mm; Ngày 2: 91,9 mm; Ngày 3: 152,7 mm; Ngày 4: 99,5 mm; Ngày 5: 75,0 mm (Tổng lượng: 449,5 mm).
  • Trạm Phủ Lý (điển hình 1983, $K_p = 0,960$): Ngày 1: 79,4 mm; Ngày 2: 77,1 mm; Ngày 3: 46,2 mm; Ngày 4: 147,9 mm; Ngày 5: 25,9 mm (Tổng lượng: 376,5 mm).
  • Đánh giá năng lực đáp ứng của hệ thống bằng mô hình SWMM 5:
    • Thiết lập sơ đồ thủy lực mạng lưới trên SWMM 5 gồm hệ thống kênh trục chính (sông Sắt, sông Châu, sông Tiên Hương, sông Kinh Thủy, sông Mỹ Đô, sông Chanh, kênh T3, kênh T5), các cống chia nước then chốt (An Bài, Cánh Gà, Mỹ Đô, La Chợ, Vùa) và các trạm bơm đầu mối. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định với số liệu thực đo các đợt mưa lũ lịch sử (điển hình đợt 24–30/9/2009 tại các nút đo CG19, NTR).
    • Kết quả mô phỏng cho thấy ở giai đoạn hiện tại, khi gặp mưa thiết kế $P = 10%$, hệ thống đã xuất hiện hàng loạt nút ngập và đoạn kênh tràn bờ (như sông Long Xuyên, sông T5, sông Sắt).
    • Dự báo theo kịch bản BĐKH NBD giai đoạn 2030 và 2050, lượng mưa tiêu tăng và mực nước trên các sông nhận nước tiêu dâng cao (sông Đáy, sông Hồng dâng từ 0,20 m đến 0,50 m), kết hợp diện tích đất nông nghiệp giảm do đô thị hóa làm hệ số tiêu yêu cầu tăng mạnh. Năng lực tiêu của các trạm bơm hiện hữu bị thiếu hụt nghiêm trọng so với nhu cầu, số điểm ngập úng và thời gian ngập kéo dài gia tăng qua các thời kỳ.

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC CHO VIỆC ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO NĂNG LỰC VÀ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG TIÊU BNH TRONG ĐIỀU KIỆN BĐKH, NBD

Chương 3 giải quyết hai bài toán khoa học cốt lõi phục vụ quy hoạch và quản lý kỹ thuật của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà.

1. Thiết lập tương quan giữa hệ số tiêu ($q$), tỷ lệ diện tích hồ điều hòa ($\alpha$) và chiều sâu trữ ($H_{\text{trữ}}$)

Luận án nghiên cứu vai trò điều tiết lũ nội đồng của hệ thống ao hồ trong điều kiện diện tích mặt nước bị san lấp nghiêm trọng (khảo sát thực tế tại Làng Chều, huyện Lý Nhân, tỉnh Hà Nam và Xóm Già, huyện Vụ Bản, tỉnh Nam Định).

Thông qua tính toán cân bằng nước lưu vực, tác giả xây dựng quan hệ hàm số giữa hệ số tiêu thiết kế bình quân toàn hệ thống ($q$, đơn vị l/s/ha) với tỷ lệ diện tích hồ điều hòa ($\alpha = F_{\text{hồ}} / F_{\text{khu tiêu}}$, tính bằng $%$) và chiều sâu lớp nước trữ khả dụng ($H_{\text{trữ}}$, tính bằng mét):

  • Giai đoạn 2030: Khi tăng tỷ lệ diện tích hồ điều hòa $\alpha$ từ $1%$ lên $5%$ và chiều sâu trữ $H_{\text{trữ}}$ từ 0,5 m đến 1,5 m, hệ số tiêu thiết kế $q$ giảm rõ rệt từ mức trên 6,5 l/s/ha xuống dưới 4,0 l/s/ha.
  • Giai đoạn 2050: Xây dựng biểu đồ tương quan $q \sim \alpha \sim H_{\text{trữ}}$ cho từng trạm khống chế (Hưng Yên, Ninh Bình, Nam Định, Phủ Lý) và bình quân toàn vùng, làm công cụ định lượng để ngành quy hoạch xác định diện tích ao hồ tối thiểu cần bảo vệ và đào mới nhằm khống chế quy mô đầu tư trạm bơm động lực.

2. Phương pháp xác định tần suất mực nước sông thiết kế trạm bơm tiêu tối ưu

Luận án phân tích sự bất hợp lý trong quy định chọn mực nước sông thiết kế ứng với tần suất $P = 10%$ theo các quy chuẩn hiện hành:

  • Khi chọn $Z_{\text{sTK}}$ ở tần suất $10%$, mực nước bể tháo bị nâng lên quá cao. Trong thực tế vận hành (chiếm phần lớn thời gian vụ tiêu), mực nước sông ngoài thấp hơn nhiều so với mực nước bể tháo, tạo ra cột nước địa hình dư thừa ($\Delta H_{\text{dư}}$), khiến máy bơm phải làm việc ngoài vùng hiệu suất tối ưu và gây lãng phí điện năng rất lớn.
  • Kết quả tính toán kiểm chứng tại trạm bơm Nhân Hòa giai đoạn 2004–2011 và trạm bơm Cốc Thành giai đoạn 1990–2012 cho thấy tổn thất cột nước địa hình dư thừa làm gia tăng chi phí tiền điện hàng tỷ đồng mỗi năm.
  • Ngược lại, nếu hạ thấp mực nước sông thiết kế xuống mức $P = 50%$ hoặc thấp hơn để hạ cao trình bể xả, chi phí xây dựng công trình tháo ($C_{\text{xd}}$) gồm bể tháo, cống qua đê và kênh xả sẽ tăng lên do chiều sâu hố móng và khối lượng kết cấu gia tăng.

Áp dụng lý thuyết phân tích hệ thống, luận án xây dựng bài toán tối ưu hóa tổng chi phí quy về năm đầu: $$\min C_{\text{tổng}}(Z_{\text{sTK}}) = C_{\text{xd}}(Z_{\text{sTK}}) + \sum_{j=1}^{n} \frac{C_{\text{đnj}}(Z_{\text{sTK}})}{(1 + r)^j}$$ Trong đó:

  • $C_{\text{xd}}$: Chi phí xây dựng công trình đầu mối tháo nước.
  • $C_{\text{đnj}}$: Chi phí điện năng tiêu thụ hàng năm của trạm bơm, được tính toán chi tiết dựa trên đường đặc tính máy bơm ($Q - H - \eta$), biểu đồ cột nước thực tế theo chuỗi thủy văn quá khứ.
  • $r$: Tỷ suất chiết khấu; $n$: Vòng đời kinh tế công trình.

Tác giả đã lập thuật toán và viết chương trình phần mềm tính toán tự động, ứng dụng tính toán thử nghiệm xác định tần suất và mực nước sông thiết kế tối ưu cho Trạm bơm Hữu Bị và Trạm bơm Cốc Thành, chỉ ra phương án mực nước thiết kế có tổng chi phí xây dựng và vận hành nhỏ nhất.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Xác lập mô hình quan hệ định lượng $q \sim \alpha \sim H_{\text{trữ}}$: Luận án đã thiết lập được hàm tương quan định lượng giữa hệ số tiêu ($q$), tỷ lệ diện tích hồ điều hòa ($\alpha$) và chiều sâu trữ ($H_{\text{trữ}}$) cho hệ thống tiêu Bắc Nam Hà ứng với các kịch bản BĐKH NBD giai đoạn 2030 và 2050, tạo cơ sở khoa học để kết hợp giữa giải pháp phi công trình (trữ nước phân tán) và giải pháp công trình (bơm tiêu cưỡng bức).
  2. Xây dựng phương pháp tối ưu hóa mực nước sông thiết kế trạm bơm tiêu: Đã phát triển phương pháp luận và thuật toán tối ưu dựa trên phân tích hệ thống, xác định mực nước sông thiết kế trạm bơm tiêu sao cho tổng chi phí xây dựng công trình tháo và chi phí điện năng vận hành suốt vòng đời quy về năm đầu là nhỏ nhất ($C_{\text{tổng}} \to \min$), khắc phục các nhược điểm của phương pháp kinh nghiệm truyền thống.

Kết quả thực tiễn và giải pháp đề xuất

  • Đánh giá định lượng mức độ thiếu hụt năng lực tiêu úng của hệ thống Bắc Nam Hà trong các mốc 2030 và 2050, chỉ rõ các điểm nghẽn thủy lực trên các trục sông chính (sông Sắt, sông Châu, sông Tiên Hương, sông Long Xuyên).
  • Đề xuất định hướng quy hoạch hồ điều hòa đa mục tiêu trong vùng, tính toán cụ thể diện tích ao hồ cần giữ lại và đào mới để giảm bớt công suất lắp đặt trạm bơm tiêu động lực.
  • Ứng dụng thành công phần mềm tính toán kinh tế - kỹ thuật tối ưu để xác định thông số thiết kế bể tháo và chọn điểm công tác máy bơm cho trạm bơm Hữu Bị và trạm bơm Cốc Thành, mang lại hiệu quả tiết kiệm điện năng vận hành thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tiêu úng nước mặt bằng động lực cho lưu vực Bắc Nam Hà dựa trên chuỗi số liệu khí tượng thủy văn 33 năm (1980–2012) và kịch bản phát thải trung bình. Các dữ liệu về biến động sử dụng đất chi tiết ở quy mô tiểu lưu vực nội thị tại các đô thị mới nổi (Phủ Lý, Nam Định) cần tiếp tục được số hóa chi tiết hơn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Mở rộng ứng dụng thuật toán tối ưu hóa mực nước sông thiết kế cho toàn bộ các trạm bơm tiêu động lực lớn khác thuộc lưu vực sông Đáy, sông Hồng và Đồng bằng Bắc Bộ.
    2. Tích hợp mô hình dự báo mưa số trị thời gian thực vào mô hình điều hành tự động hóa liên hồ chứa và hệ thống công trình cống - trạm bơm trên toàn hệ thống.

Giá trị tham khảo

  • Cơ quan quản lý và quy hoạch (Bộ Nông nghiệp & PTNT, Viện Quy hoạch Thủy lợi, Sở NN&PTNT các tỉnh): Cung cấp tài liệu khoa học để rà soát quy hoạch hệ thống thủy lợi Bắc Nam Hà thích ứng BĐKH; định hướng tỷ lệ diện tích đất dành cho hồ điều hòa trong quy hoạch xây dựng và phát triển đô thị.
  • Đơn vị tư vấn thiết kế công trình thủy lợi: Cung cấp phương pháp luận và công cụ phần mềm tính toán tối ưu mực nước sông thiết kế trạm bơm tiêu, giúp nâng cao hiệu quả kinh tế và tiết kiệm điện năng cho các dự án xây mới, nâng cấp trạm bơm.
  • Đơn vị khai thác công trình thủy lợi (Công ty Khai thác CTTL Bắc Nam Hà): Cung cấp các kịch bản mô phỏng dòng chảy ngập úng trên SWMM 5 phục vụ công tác chỉ đạo vận hành các cống phân lưu và vận hành máy bơm trong mùa mưa bão.
  • Nghiên cứu sinh, giảng viên chuyên ngành Thủy lợi - Thủy văn - Tài nguyên nước: Làm tài liệu tham khảo về phương pháp phân tích chuỗi mưa cực hạn, mô phỏng thủy lực ngập úng và bài toán tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật trong công trình thủy.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lựa chọn trận mưa 5 ngày lớn nhất ($X_{5\text{ngày}}^{\max}$) làm mô hình mưa tiêu thiết kế thay vì mưa 1 ngày hay 3 ngày?

Kết quả phân tích thống kê 33 năm (1980–2012) tại 4 trạm khí tượng bao quanh hệ thống cho thấy mưa trong vùng có tính chất bao rất rõ nét: $76–85%$ số trận mưa 3 ngày lớn nhất nằm trong trận mưa 5 ngày lớn nhất và chiếm tới $85–91%$ tổng lượng mưa; đồng thời lượng mưa 5 ngày lớn nhất đã chiếm $90–99%$ tổng lượng của trận mưa 7 ngày lớn nhất. Do đó, tính toán tiêu cho trận mưa 5 ngày lớn nhất vừa bảo đảm an toàn kỹ thuật, bao hàm được các trận mưa ngắn ngày cường suất lớn, vừa đảm bảo tính kinh tế hơn so với việc thiết kế theo các trận mưa kéo dài 7 ngày.

2. Việc thiết kế trạm bơm tiêu theo tần suất mực nước sông 10% quy định tại QCVN 04-05:2012/BNNPTNT gây ra lãng phí như thế nào?

Khi thiết kế ở tần suất mực nước sông $P = 10%$, cao trình bể tháo trạm bơm bị đẩy lên rất cao ứng với đỉnh lũ hiếm gặp. Trong thực tế vận hành tiêu úng, phần lớn thời gian mực nước sông ngoài thấp hơn nhiều so với bể tháo, tạo ra cột nước địa hình dư thừa ($\Delta H_{\text{dư}}$). Máy bơm buộc phải bơm nước lên cao hơn mức cần thiết rồi mới xả ra sông, khiến điểm làm việc thực tế lệch xa điểm hiệu suất tối ưu của máy bơm, dẫn đến tổn thất cột nước và gây lãng phí từ vài chục đến hàng trăm triệu kilowatt giờ điện năng trong suốt vòng đời vận hành.

3. Mối quan hệ giữa hệ số tiêu ($q$), tỷ lệ hồ điều hòa ($\alpha$) và chiều sâu trữ ($H_{\text{trữ}}$) có ý nghĩa gì trong quy hoạch?

Hàm tương quan $q \sim \alpha \sim H_{\text{trữ}}$ chứng minh rằng khi tăng diện tích ao hồ ($\alpha$) và tận dụng chiều sâu trữ nước ($H_{\text{trữ}}$), hệ số tiêu thiết kế $q$ của hệ thống giảm xuống rõ rệt (từ $>6,5$ l/s/ha xuống $<4,0$ l/s/ha). Điều này cung cấp cơ sở toán học lượng hóa giúp các nhà quy hoạch so sánh hiệu quả giữa chi phí dành quỹ đất làm hồ điều hòa sinh thái đa mục tiêu với chi phí đầu tư, tiền điện vận hành các trạm bơm tiêu động lực công suất lớn.

4. Hệ thống Bắc Nam Hà hiện hữu có những đặc điểm nghẽn dòng tiêu thoát nước chính nào?

Hệ thống bị bao bọc bởi 4 sông lớn có mực nước lũ cao hơn mặt ruộng 6–7 m. Địa hình lòng chảo khiến tiêu tự chảy hoàn toàn bất khả thi trong mùa lũ. Mạng lưới kênh trục chính như sông Sắt (dài 37,7 km nhưng hệ số tiêu chỉ đạt 1,9 l/s/ha), sông Long Xuyên, kênh T5 bị bồi lắng lòng dẫn nghiêm trọng từ 1 đến 2 m, các cống điều tiết cũ kỹ không đủ khẩu độ tháo dẫn đến hiện tượng nghẽn dòng, dồn ứ nước gây ngập úng nặng tại các vùng trũng xa công trình đầu mối.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả La Đức Dũng đã giải quyết trọn vẹn bài toán khoa học và thực tiễn về tiêu thoát nước cho hệ thống thủy nông Bắc Nam Hà trong bối cảnh BĐKH, NBD và đô thị hóa. Bằng việc kết hợp giữa phân tích chuỗi khí tượng thủy văn thực đo, mô hình hóa thủy lực SWMM 5 và lý thuyết phân tích hệ thống tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật, luận án đã xác định chính xác nhu cầu tiêu trong tương lai, lượng hóa vai trò của không gian hồ điều hòa và đề xuất phương pháp luận xác định mực nước sông thiết kế trạm bơm tiêu tối thiểu hóa tổng chi phí xây dựng - vận hành. Các kết quả nghiên cứu là tài liệu kỹ thuật có giá trị ứng dụng cao đối với công tác quy hoạch, thiết kế và quản lý vận hành các hệ thống tiêu úng động lực tại Đồng bằng Bắc Bộ.