Tổng quan nghiên cứu

Dự án thủy lợi Ngàn Trươi - Cẩm Trang tại tỉnh Hà Tĩnh là công trình trọng điểm đa mục tiêu, giữ vai trò cung cấp nguồn nước tưới cho 32.585 ha đất canh tác nông nghiệp tại 7 huyện, thị xã gồm Hương Sơn, Vũ Quang, Đức Thọ, Can Lộc, Nghi Xuân, Lộc Hà và Thạch Hà. Ngoài nhiệm vụ tưới tiêu, công trình còn chịu trách nhiệm tạo nguồn cấp nước cho 5.991 ha nuôi trồng thủy sản, phục vụ nhu cầu sinh hoạt dân sinh và tiếp nước cho các khu công nghiệp với lưu lượng yêu cầu 6 m3/s tại mỏ sắt Thạch Khê. Tuy nhiên, kết quả khảo sát thực tế cho thấy khả năng cấp nước của hệ thống hiện hữu chỉ đạt khoảng 56% so với công suất thiết kế do tình trạng rò rỉ kênh mương và sự gia tăng bốc thoát hơi nước.

Vấn đề cốt lõi của nghiên cứu bắt nguồn từ áp lực kép: sự suy thoái cơ sở hạ tầng dẫn nước hiện tại và tác động ngày càng rõ rệt của biến đổi khí hậu. Theo kịch bản phát thải trung bình, nhiệt độ khu vực Bắc Trung Bộ dự báo tăng tới 2,8°C vào cuối thế kỷ 21, lượng mưa mùa khô giai đoạn tháng 3 đến tháng 5 giảm khoảng 10%, gây ra nguy cơ thiếu hụt nguồn nước nghiêm trọng.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá toàn diện tác động của biến đổi khí hậu đến nhu cầu sử dụng nước tưới, xác định lại hệ số tưới thiết kế cho toàn hệ thống, từ đó đề xuất hệ thống giải pháp công trình và phi công trình đồng bộ nhằm nâng cao hiệu quả khai thác dòng chảy đến giai đoạn 2020 - 2030. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn quan trọng, giúp tối ưu hóa dung tích hồ chứa Ngàn Trươi với lưu lượng dòng chảy bình quân năm 31,1 m3/s và đập dâng Cẩm Trang với 120 m3/s, đảm bảo an ninh nguồn nước và phát triển kinh tế bền vững cho toàn tỉnh Hà Tĩnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp của các khung lý thuyết nền tảng trong quy hoạch tài nguyên nước:

  1. Lý thuyết cân bằng nước lưu vực sông: Đánh giá mối quan hệ tương quan giữa tổng lượng dòng chảy đến tự nhiên và tổng lượng nước yêu cầu của các đối tượng dùng nước theo từng thời đoạn tháng trong năm.
  2. Lý thuyết bốc thoát hơi nước tiềm năng Penman - Monteith theo tiêu chuẩn của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc: Mô hình toán học tích hợp đầy đủ các yếu tố bức xạ mặt trời, nhiệt độ, độ ẩm không khí và tốc độ gió, giúp giảm thiểu sai số tính toán xuống mức chỉ từ 7% đến 10%.
  3. Khung kịch bản biến đổi khí hậu phát thải trung bình: Cung cấp cơ sở dự báo xu thế gia tăng nhiệt độ cực trị và sự suy giảm lượng mưa cục bộ trong mùa cạn.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt được vận dụng xuyên suốt bao gồm: Hệ số tưới mặt ruộng và đầu kênh, lượng bốc thoát hơi nước của cây trồng, hệ số cây trồng theo từng giai đoạn sinh trưởng, và tần suất đảm bảo cấp nước thiết kế nông nghiệp đạt mức 85%.

Phương pháp nghiên cứu

Cơ sở dữ liệu nghiên cứu sử dụng chuỗi số liệu quan trắc khí tượng kéo dài 46 năm từ 1963 đến 2008 tại trạm khí tượng Hà Tĩnh, kết hợp với chuỗi số liệu thủy văn 47 năm từ 1959 đến 2005 tại trạm Hòa Duyệt trên sông Ngàn Sâu. Cỡ mẫu dài và liên tục này cho phép tính toán các đặc trưng phân phối thống kê với độ tin cậy vượt trội, loại trừ các biến động bất thường của thời tiết cục bộ.

Phương pháp chọn mẫu điển hình được áp dụng để xác định năm tính toán đại biểu. Tác giả sử dụng phần mềm phân tích tần suất thủy văn TSTV-2002 để xây dựng đường tần suất lý luận lượng mưa năm. Qua phân tích chuỗi số liệu, năm 2000 với tổng lượng mưa 1.275 mm được lựa chọn làm năm đại biểu vì có giá trị sát nhất với lượng mưa ứng với tần suất thiết kế 85% (1.275,6 mm) và có quy luật phân bố mưa mùa cạn khắc nghiệt nhất.

Lý do lựa chọn mô hình CROPWAT 8.0 kết hợp với phần mềm chuyên dụng tính toán chế độ tưới lúa của Trường Đại học Thủy Lợi là khả năng xử lý động các thông số đất đai, độ ẩm ban đầu, độ sâu tầng đất canh tác 0,35 m và chế độ ngâm ruộng làm ải hoặc làm dầm, đem lại kết quả dự báo nhu cầu nước với độ chính xác cao cho từng giai đoạn phát triển của cây trồng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích định lượng và mô phỏng cân bằng nước đã chỉ ra những phát hiện khoa học mang tính quyết định:

Thứ nhất, năng lực cấp nước thực tế của hệ thống hiện tại bị sụt giảm nghiêm trọng so với chỉ tiêu thiết kế. Công trình thủy nông hiện hữu mới chỉ đáp ứng được 80% diện tích canh tác trong vụ Đông Xuân và 70% diện tích trong vụ Hè Thu. Nguyên nhân trực tiếp là do tổn thất dọc tuyến rất lớn, trong đó có 15 km trên tổng số 36,7 km kênh cấp II vẫn là kênh đất chưa được kiên cố hóa.

Thứ hai, biến đổi khí hậu làm gia tăng đột biến nhu cầu nước của cây trồng. Nhiệt độ trung bình năm tại khu vực nghiên cứu có xu hướng tăng từ 23,7°C lên 24,4°C, đồng thời lượng bốc hơi trong các tháng 3 và 4 đạt đỉnh trên 100 mm/tháng. Kết quả tính toán bằng mô hình CROPWAT 8.0 cho thấy hệ số tưới thiết kế cũ từ 0,60 đến 0,64 l/s/ha đã hoàn toàn lỗi thời, cần phải điều chỉnh tăng lên mức 1,10 l/s/ha để đáp ứng đủ lượng nước tưới mặt ruộng trong điều kiện thời tiết khô nóng gay gắt.

Thứ ba, sự phân bố dòng chảy tự nhiên có sự chênh lệch sâu sắc giữa các mùa. Khoảng 70% đến 75% tổng lượng dòng chảy năm tập trung dồn dập vào 3 đến 5 tháng mùa lũ (từ tháng 9 đến tháng 11), trong khi mùa kiệt kéo dài từ 7 đến 9 tháng nhưng chỉ chiếm 25% đến 30% tổng lượng nước năm. Dòng chảy kiệt thấp nhất đo được tại Hòa Duyệt chỉ đạt 15,71 l/s/km2, tạo nên sự căng thẳng nguồn nước gay gắt vào các tháng cao điểm gieo cấy vụ Hè Thu.

Thứ tư, áp lực chia sẻ nguồn nước đa mục tiêu gia tăng nhanh chóng. Ngoài nhiệm vụ tưới cho 32.585 ha lúa và hoa màu, hồ Ngàn Trươi và đập Cẩm Trang phải gánh thêm trọng trách xả dòng chảy môi trường tối thiểu 15 m3/s cho hạ lưu sông La và sông Ngàn Sâu, đồng thời cấp nước cho 3.500 ha khu công nghiệp tập trung trên địa bàn tỉnh.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự thiếu hụt nguồn nước bắt nguồn từ cả yếu tố khách quan của thời tiết cực đoan lẫn yếu tố chủ quan trong công tác quản lý. Vào mùa khô, hiệu ứng gió phơn Tây Nam làm độ ẩm tương đối giảm sâu xuống mức 70% đến 75%, kết hợp với số giờ nắng lên tới 207,7 giờ/tháng làm gia tăng mạnh lượng thoát hơi nước mặt ruộng. Về mặt vận hành, việc thiếu quy trình điều tiết liên hồ - đập tự động khiến tình trạng thừa nước ở đầu kênh nhưng thiếu nước cục bộ ở cuối kênh diễn ra thường xuyên.

Các dữ liệu nghiên cứu có thể được trực quan hóa thông qua bảng cân bằng nước chi tiết theo 12 tháng và biểu đồ phân phối lưu lượng dòng chảy đến ứng với tần suất 85%. Biểu đồ so sánh nhu cầu nước của lúa Đông Xuân (thời gian sinh trưởng 124 ngày) và lúa Hè Thu (thời gian sinh trưởng 94 ngày) minh chứng rõ nét rằng giai đoạn làm đòng đến ngậm sữa có hệ số cây trồng đạt đỉnh từ 1,25 đến 1,29, đòi hỏi lượng cấp nước liên tục và ổn định.

So sánh với các nghiên cứu thủy nông tại vùng Bắc Trung Bộ, kết quả của luận văn khẳng định việc chuyển đổi thời vụ mùa sang hè thu gieo trồng vào đầu tháng 7 tuy tránh được lũ sớm nhưng lại trùng đúng vào thời kỳ kiệt nhất của dòng chảy sông ngòi. Điều này chứng minh rằng các chỉ tiêu thiết kế thủy lợi truyền thống nếu không được hiệu chỉnh theo kịch bản biến đổi khí hậu sẽ gây ra rủi ro mất mùa diện rộng.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm tối ưu hóa hiệu quả sử dụng nguồn nước và chủ động thích ứng với biến đổi khí hậu, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp trọng tâm:

Thứ nhất, thực hiện kiên cố hóa và hiện đại hóa mạng lưới kênh dẫn. Chủ thể thực hiện là Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Hà Tĩnh phối hợp cùng Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng Công trình Thủy lợi. Timeline triển khai trong giai đoạn 2011 - 2015. Mục tiêu cụ thể là hoàn thành bê tông hóa 100% đối với 15 km kênh đất cấp II còn lại, giảm tỷ lệ tổn thất do ngấm và rò rỉ xuống dưới 15%, nâng tỷ lệ diện tích được tưới chủ động từ 80% lên 95% diện tích thiết kế.

Thứ hai, thiết lập quy trình vận hành điều tiết liên hồ chứa và đập dâng theo thời gian thực. Chủ thể thực hiện là Công ty Trách nhiệm hữu hạn Một thành viên Quản lý Thủy nông Hà Tĩnh. Timeline hoàn thiện trong giai đoạn 2012 - 2016. Quy trình vận hành mới cần tối ưu hóa dung tích điều tiết của hồ Ngàn Trươi, đảm bảo duy trì liên tục lưu lượng xả hạ du tối thiểu 15 m3/s cho sông La và đáp ứng lưu lượng cấp 6 m3/s cho khu công nghiệp mỏ sắt Thạch Khê ngay cả trong những tháng kiệt nhất.

Thứ ba, chuyển đổi kỹ thuật canh tác và áp dụng công nghệ tưới tiết kiệm nước mặt ruộng. Chủ thể thực hiện gồm Phòng Nông nghiệp các huyện trong vùng dự án phối hợp cùng các Hợp tác xã Dịch vụ Nông nghiệp. Timeline thực hiện thường xuyên từ năm 2013 đến 2020. Mục tiêu đặt ra là chuyển giao quy trình tưới ướt khô xen kẽ cho 24.108 ha lúa, nhân rộng kỹ thuật tưới nhỏ giọt và tưới phun mưa cho diện tích trồng ngô, đậu tương, giúp giảm 20% đến 25% định mức tiêu thụ nước tưới mặt ruộng.

Thứ tư, tái cơ cấu mô hình quản lý tưới có sự tham gia của người dân. Chủ thể thực hiện là Ủy ban nhân dân tỉnh Hà Tĩnh và chính quyền cấp xã. Timeline thực hiện trong giai đoạn 2011 - 2015. Mục tiêu là chuyển đổi 100% các tổ chức dùng nước cơ sở sang mô hình quản lý thủy nông có sự tham gia của cộng đồng, phân định rõ trách nhiệm tài chính và bảo dưỡng công trình kênh mương nội đồng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất: Các kỹ sư quy hoạch, tư vấn thiết kế công trình thủy lợi và tài nguyên nước. Tài liệu cung cấp phương pháp luận chuẩn xác về việc ứng dụng công thức Penman - Monteith và mô hình CROPWAT 8.0 để tính toán lại hệ số tưới thích ứng với kịch bản biến đổi khí hậu cho các dự án quy mô lớn.

Nhóm thứ hai: Cán bộ quản lý và kỹ sư vận hành tại các công ty khai thác công trình thủy nông địa phương. Luận văn cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về biểu đồ phân phối lưu lượng dòng chảy P = 85%, phục vụ trực tiếp cho việc lập kế hoạch phân phối nước theo từng thời đoạn mùa vụ, hạn chế thất thoát nước đầu kênh và thiếu nước cuối kênh.

Nhóm thứ ba: Giảng viên, học viên cao học và sinh viên các chuyên ngành Thủy văn, Kỹ thuật Tài nguyên nước và Biến đổi khí hậu. Nghiên cứu là case study điển hình về việc phân tích chuỗi số liệu khí tượng thủy văn kéo dài trên 45 năm và phương pháp hiệu chỉnh dòng chảy từ trạm thủy văn Hòa Duyệt về tuyến công trình đầu mối.

Nhóm thứ tư: Các nhà hoạch định chính sách nông nghiệp và cán bộ quản lý tài nguyên môi trường cấp tỉnh, huyện. Luận văn cung cấp luận cứ khoa học vững chắc để xây dựng các đề án chuyển đổi cơ cấu cây trồng, bố trí nguồn vốn kiên cố hóa kênh mương và ban hành quy chế quản lý tưới có sự tham gia của cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao hệ thống thủy lợi Ngàn Trươi - Cẩm Trang chỉ đạt khoảng 56% năng lực cấp nước thiết kế ban đầu?

Nguyên nhân chính là do hệ thống kênh dẫn cấp II chưa được đầu tư đồng bộ khi còn tới 15 km kênh đất, gây tổn thất ngấm và rò rỉ rất lớn. Ngoài ra, địa hình lòng dẫn phức tạp và công tác quản lý điều tiết nước tại các cống đầu mối còn thủ công, dẫn đến lãng phí nước nghiêm trọng ở thượng nguồn nhưng lại thiếu hụt ở cuối kênh.

Biến đổi khí hậu theo kịch bản phát thải trung bình tác động cụ thể thế nào đến nguồn nước tại Hà Tĩnh?

Theo kịch bản phát thải trung bình, nhiệt độ trung bình năm tăng tới 2,8°C làm lượng bốc hơi tiềm năng vượt mức 100 mm/tháng trong mùa khô. Đồng thời, lượng mưa giai đoạn tháng 3 đến tháng 5 giảm khoảng 10%, dòng chảy kiệt suy giảm sâu khiến nhu cầu nước tưới của cây trồng tăng cao, đòi hỏi phải nâng hệ số tưới lên 1,10 l/s/ha.

Mô hình CROPWAT 8.0 đóng vai trò gì trong quá trình tính toán nhu cầu dùng nước của dự án?

Mô hình CROPWAT 8.0 sử dụng thuật toán Penman - Monteith chuẩn mực quốc tế để mô phỏng chính xác lượng bốc thoát hơi nước của cây trồng dựa trên chuỗi số liệu khí tượng 46 năm. Phần mềm giúp xác định chuẩn xác chế độ tưới, thời gian tưới và tổng lượng nước cần cho từng giai đoạn sinh trưởng của 24.108 ha lúa và hoa màu.

Việc chuyển dịch thời vụ gieo trồng sang vụ Hè Thu tạo ra những thách thức gì cho hệ thống cấp nước?

Chuyển đổi thời vụ gieo cấy sang đầu tháng 7 giúp nông dân thu hoạch trước mùa lũ tháng 9 nhưng lại đẩy thời kỳ ngâm ruộng và làm đất vào đúng giai đoạn kiệt nhất trong năm. Dòng chảy tự nhiên sông Ngàn Sâu lúc này xuống thấp, đòi hỏi hồ chứa Ngàn Trươi phải vận hành điều tiết xả nước liên tục với công suất cao.

Giải pháp nào được đánh giá là then chốt nhất để khắc phục tình trạng thiếu nước ở vùng cuối kênh?

Giải pháp then chốt nhất là kết hợp kiên cố hóa toàn bộ 15 km kênh cấp II bằng bê tông đúc sẵn với việc ban hành quy trình vận hành điều tiết nước tự động theo thời gian thực. Đồng thời, cần áp dụng mô hình quản lý thủy nông có sự tham gia của người dân để giám sát chặt chẽ việc phân phối nước công bằng giữa các tiểu vùng.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn bài toán nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn nước hệ thống thủy lợi Ngàn Trươi - Cẩm Trang dưới tác động của biến đổi khí hậu với các đóng góp nổi bật:

  • Đã đánh giá định lượng sự suy giảm khả năng cấp nước của hệ thống hiện trạng, chỉ ra điểm nghẽn lớn nhất nằm ở 15 km kênh đất gây thất thoát dòng chảy.
  • Ứng dụng thành công chuỗi dữ liệu khí tượng 46 năm và thủy văn 47 năm kết hợp mô hình CROPWAT 8.0 để tính toán lại hệ số tưới thiết kế tăng lên mức 1,10 l/s/ha theo kịch bản biến đổi khí hậu.
  • Xác lập biểu đồ cân bằng nước chi tiết cho 32.585 ha diện tích canh tác và 5.991 ha nuôi trồng thủy sản, đồng thời đảm bảo dòng chảy môi trường 15 m3/s và cấp nước công nghiệp 6 m3/s.
  • Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp đồng bộ từ công trình kiên cố hóa kênh mương đến chuyển đổi cơ cấu mùa vụ và đổi mới mô hình quản lý tưới PIM trong giai đoạn 2011 - 2020.
  • Khẳng định tính cấp thiết của việc tích hợp yếu tố biến đổi khí hậu vào quy trình vận hành liên hồ đập nhằm đảm bảo an ninh nguồn nước bền vững cho địa phương.

Các đơn vị quản lý khai thác công trình thủy lợi và chính quyền địa phương cần sớm áp dụng khung tính toán và quy trình vận hành đề xuất vào thực tiễn sản xuất nhằm tối đa hóa hiệu quả kinh tế - xã hội của đại dự án thủy lợi Ngàn Trươi - Cẩm Trang.