Tổng quan luận án

Công trình luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Môi trường Đất và Nước (mã số: 9 44 03 03) của nghiên cứu sinh Vũ Văn Hiếu, được thực hiện tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam và Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam dưới sự hướng dẫn của PGS. Vũ Cẩm Lương và PGS. Nguyễn Nghĩa Hùng. Luận án giải quyết các vấn đề liên quan đến cơ sở khoa học và khả năng di chuyển ngược dòng của tôm càng xanh (Macrobrachium rosenbergii) nhằm phục vụ công tác quản lý và vận hành đường di cư qua đập (ĐDCQĐ) tại công trình hồ chứa nước Phước Hòa trên sông Bé.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trên thế giới, các công trình ĐDCQĐ đã xuất hiện từ thế kỷ XVII và phát triển mạnh mẽ vào thế kỷ XX với hơn 10.000 công trình nghiên cứu về khả năng di chuyển của các loài thủy sản. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu tập trung vào các loài cá có giá trị kinh tế thuộc vùng ôn đới như cá hồi (Oncorhynchus spp., Salmo salar), cá chình (Anguilla spp.) di cư giữa nước mặn và nước ngọt. Các nghiên cứu dành cho nhóm động vật giáp xác di cư, đặc biệt là tôm càng xanh ở khu vực nhiệt đới, còn rất hạn chế. Khi áp dụng các thiết kế ĐDCQĐ vào vùng nhiệt đới – nơi có hệ sinh thái đa loài phong phú – việc mô phỏng nguyên mẫu thiết kế dành cho cá hồi đã bộc lộ nhiều bất cập do không phù hợp với tập tính và khả năng vận động của các loài bản địa.

Tại Việt Nam, trong hệ thống khoảng 7.000 hồ chứa thủy lợi và thủy điện, ĐDCQĐ Phước Hòa (hoàn thành năm 2012 tại xã An Thái, huyện Phú Giáo, tỉnh Bình Dương) là công trình ĐDCQĐ đầu tiên và duy nhất. Công trình được thiết kế theo dạng "kênh tự nhiên" dài 1,9 km, độ dốc 0,7 - 1,43%, giới hạn lưu tốc dưới 0,6 m/s, phục vụ chung cho ít nhất 25 loài thủy sản di cư bị tác động bởi đập. Tuy nhiên, các loài thủy sản bản địa có giá trị kinh tế cao và chịu tác động trực tiếp như tôm càng xanh không di cư qua công trình. Tôm càng xanh tại sông Bé (thuộc lưu vực sông Đồng Nai) vốn là nguồn tôm bố mẹ tự nhiên có chất lượng cao tại Việt Nam. Sau khi xây dựng đập, việc thiếu các thông số khoa học về lưu tốc dòng chảy, chiều dài giữa các hồ nghỉ và chế độ vận hành ĐDCQĐ theo loài mục tiêu đã tạo ra rào cản thủy lực đối với chu trình di cư sinh sản của loài này.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hệ thống mục tiêu nghiên cứu tổng quát và các mục tiêu cụ thể như sau:

  • Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu cơ sở khoa học và khả năng di chuyển của tôm càng xanh (Macrobrachium rosenbergii) áp dụng cho đường di cư qua đập Phước Hòa nhằm đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả hoạt động của đường di cư qua đập, hỗ trợ hoạt động di cư của loài mục tiêu ưu tiên tôm càng xanh, góp phần bảo vệ và phát triển bền vững nguồn lợi thủy sản.
  • Mục tiêu cụ thể:
    1. Đánh giá cơ sở khoa học trong nghiên cứu khả năng di chuyển của loài mục tiêu tôm càng xanh (M. rosenbergii) ở khu vực hệ sinh thái đa loài thủy sản của vùng nhiệt đới áp dụng cho đường di cư qua đập.
    2. Nghiên cứu đưa ra các thông số khoa học về quản lý vận hành lưu tốc nước, khoảng cách chiều dài của đường di cư qua đập cho loài mục tiêu tôm càng xanh.
    3. Nghiên cứu, đúc kết các thông số kết quả thực nghiệm và thực tiễn để đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả công tác quản lý vận hành ĐDCQĐ Phước Hòa.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Khả năng di chuyển ngược dòng nước (bao gồm các trạng thái bơi, bò, bám giữ vị trí và bật phóng) của tôm càng xanh (M. rosenbergii) ở các dải lưu tốc nước khác nhau trong điều kiện phòng thí nghiệm, có liên hệ thực tế với ĐDCQĐ Phước Hòa.
  • Phạm vi không gian:
    • Thực địa: Tuyến ĐDCQĐ Phước Hòa và lưu vực sông Bé chảy qua 4 xã: xã Tân Thành, xã Nha Bích (tỉnh Bình Phước) và xã An Thái, xã An Linh (tỉnh Bình Dương).
    • Thí nghiệm: Phòng Thí nghiệm thủy lực thuộc Cơ sở 2 của Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam tại khu phố Hòa Lân, phường Thuận Giao, thành phố Thuận An, tỉnh Bình Dương.
    • Nhóm kích thước tôm thí nghiệm: Gồm 2 nhóm kích cỡ đại diện cho hai giai đoạn sinh học:
      • TCX cỡ I (chiều dài 7,5 - 9,5 cm): Đại diện cho giai đoạn tôm ấu niên di cư ngược dòng lên vùng thượng lưu sau khi hoàn thành giai đoạn ấu trùng ở vùng cửa sông nước lợ.
      • TCX cỡ II (chiều dài 13,5 - 15,5 cm): Đại diện cho giai đoạn tôm bố mẹ di cư xuôi dòng về hạ lưu sinh sản và tiếp tục di chuyển ngược dòng lên thượng lưu để sinh trưởng, tái thành thục.
  • Phạm vi thời gian: Quá trình nghiên cứu thực hiện từ tháng 12/2016 đến tháng 11/2019:
    • Tháng 12/2016 - 06/2017: Thu thập và xử lý nguồn dữ liệu thứ cấp.
    • Tháng 05/2017 - 01/2019: Khảo sát thực địa tuyến ĐDCQĐ, điều tra ngư dân và phỏng vấn chuyên gia đại diện cho cả mùa mưa và mùa khô.
    • Tháng 07/2018 - 11/2019: Chuẩn bị thiết bị, tiến hành các đợt thí nghiệm thủy lực và phân tích xử lý dữ liệu thực nghiệm.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới và trong nước

Tổng quan tài liệu của luận án hệ thống hóa các hướng nghiên cứu chính về công trình ĐDCQĐ và động thái di cư của thủy sản:

  1. Phân loại di cư và tác động của đập ngăn sông: Dẫn xuất lý thuyết từ Cohen (1970), Larinier (2001), Bauer (2011, 2015), phân chia các nhóm loài di cư thành Diadromous (gồm Anadromous, Catadromous, Amphidromous), Potamodromous và Oceandromous. Đập nước làm gián đoạn hành lang sinh thái, thay đổi chế độ thủy văn từ nước chảy sang nước tù (theo Oklahoma và nnk, 1976 có 55% loài suy giảm do mất môi trường nước chảy), làm thay đổi nhiệt độ, độ đục và tạo điều kiện bất lợi cho con non trước các loài săn mồi.
  2. Lịch sử và các dạng hình công trình ĐDCQĐ: Điểm lại quá trình phát triển từ các bó cành cây tại Pháp thế kỷ XVII, bằng sáng chế của Richard McFarlan (1837 tại Canada), ĐDCQĐ tại bang Maine (Mỹ, 1806), đến các dạng công trình: ĐDCQĐ "hồ chìm" (Beckwith và nnk, 2013), "khe dọc thẳng đứng", "Denil" do G. Denil thiết kế năm 1909 (Thorncraft và Harris, 2000), "kênh tự nhiên" (Larinier, 2001), "khóa Borland" (1949), "nâng", "cầu trượt", "Ice Harbor", "cống ngầm" và ĐDCQĐ chuyên dụng cho cá chình.
  3. Phương pháp đánh giá khả năng di chuyển của thủy sản: Tổng kết công thức xác định lưu tốc di chuyển tới hạn và tối đa của Brett (1964), các phương pháp nghiên cứu chủ động trên máng hở (Colavecchia và nnk, 1997; Katopodis và Gervais, 2016) và phương pháp cưỡng bức trong khoang bơi/hô hấp kế (Clough và Turnpenny, 2001).
  4. Nghiên cứu về tôm càng xanh nước ngọt: Các thực nghiệm của Hamano và nnk (1995) trên 10 loại vật liệu nền đáy cho 3 loài tôm (Caridina japonica, Paratya compressa, Macrobrachium japonicum) xác định nền đáy lưới 3 chiều (mắt lưới 0,52 mm), độ dốc $\le 50^\circ$, lưu tốc $\le 65\text{ cm/s}$ là phù hợp; nghiên cứu của Kikkert và nnk (2009) về ảnh hưởng của độ đục và dòng chảy đến hậu ấu trùng tôm; nghiên cứu định hướng dòng di cư bằng ánh sáng của Hamano và Honke (1997); nghiên cứu bẫy bắt của Horne và Besser (1977) trên sông San Marcos và Guadalupe (Texas, Mỹ); các nghiên cứu sinh học của Foster và Wickins (1972), Holthuis (1950), Nguyễn Việt Thắng (1993), Trần Ngọc Hải và nnk (2014), Nguyễn Thanh Phương (2003).

Tại khu vực hồ chứa Phước Hòa, các nghiên cứu của Vũ Vi An và Nguyễn Nguyễn Du (2011), Vũ Vi An và nnk (2012) đã ghi nhận 120 loài cá tôm thuộc 11 bộ, 31 họ trên sông Bé. Đập Phước Hòa tác động trực tiếp đến ít nhất 25 loài thủy sản di cư, trong đó có 8 loài chịu ảnh hưởng mức độ cao.

STT Tên khoa học Tên địa phương Mức độ ảnh hưởng
1 Paralaubuca typus Cá thiểu Cao
2 Cyclocheilichthys enoplos Cá cóc Cao
3 Bagarius spp. Cá lăng chiên Cao
4 Crossocheilus reticulatus Cá linh nút Cao
5 Barbodes altus Cá he vàng Cao
6 Thynnichthys thynnoides Cá linh cám Cao
7 Botia modesta Cá heo cái Cao
8 Macrobrachium rosenbergii Tôm càng xanh Cao
9 Bagriichthys spp. Cá chốt chuột Vừa
10 Gyrinocheilus pennocki Cá bám đá Vừa
11 Cirrhinus microlepis Cá duồng Vừa
12 Parambassis wolffii/spp. Cá sơn bầu Vừa
13 Mystacoleucus spp. Cá vảy sước Vừa
14 Morulius chrysophekadion/spp. Cá ét mọi Vừa
15 Cosmochilus harmandi Cá duồng bay Vừa

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù tôm càng xanh được xác định là loài thủy sản bản địa kinh tế chịu ảnh hưởng nghiêm trọng nhất, công trình ĐDCQĐ Phước Hòa khi thiết kế chưa xây dựng trên cơ sở đặc tính vận động chuyên biệt của loài giáp xác này. Luận án tập trung giải quyết khoảng trống: Xác định các giới hạn thủy lực (lưu tốc di chuyển tối đa, lưu tốc di chuyển bền vững, khả năng bám giữ vị trí) của tôm càng xanh cỡ I và cỡ II theo từng chế độ dòng chảy, từ đó cung cấp căn cứ định lượng để điều chỉnh quy trình vận hành và cải tạo cấu trúc hình học của ĐDCQĐ Phước Hòa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án dựa trên lý thuyết thủy lực sinh thái và phân loại các cấp độ di chuyển của thủy sản:

  • Di chuyển bền vững (Sustained movement): Do các sợi cơ đỏ hoạt động hiếu khí (có oxy), duy trì liên tục trên 200 phút không mệt mỏi; tương ứng với lưu tốc tối ưu $U_{opt}$.
  • Di chuyển kéo dài (Prolonged movement): Do sự kết hợp của sợi cơ đỏ và sợi cơ trắng (yếm khí), duy trì từ 15 giây đến 200 phút. Được đặc trưng bởi:
    • Lưu tốc tối đa $U_{max}$ (xác định theo mô hình Brett, 1964).
    • Lưu tốc tới hạn $U_{crit}$ (lưu tốc gần nhất trước khi cá thể kiệt sức).
    • Lưu tốc chuyển đổi dáng điệu $U_{trans}$ (ngưỡng chuyển từ vận động ổn định sang không ổn định).
  • Di chuyển bật phóng (Burst movement): Do các sợi cơ trắng hoạt động thuần túy trong thời gian ngắn dưới 15 - 20 giây ($U_{burst}, U_{sprint}$).

Công thức Brett (1964) được sử dụng để tính toán lưu tốc nước tối đa mà tôm càng xanh có thể bám giữ hoặc di chuyển ngược dòng trong điều kiện tăng dần đều:

$$U_{max} = U_i + \left(\frac{T_i}{T_{ii}} \times U_{ii}\right)$$

Trong đó:

  • $U_{max}$: Lưu tốc nước tối đa đối tượng di chuyển hoặc bám giữ vị trí (m/s).
  • $U_i$: Lưu tốc nước ở bước thử nghiệm gần nhất trước khi tôm bị kiệt sức (m/s).
  • $U_{ii}$: Gia số lưu tốc nước tăng dần đều qua từng bước (m/s).
  • $T_i$: Thời gian tôm duy trì vị trí ở bước lưu tốc làm tôm kiệt sức (phút).
  • $T_{ii}$: Khoảng thời gian quy định cho mỗi bước tăng lưu tốc (phút).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp phương pháp nghiên cứu xã hội học, điều tra thực địa và thực nghiệm thủy lực sinh thái:

  1. Phương pháp thu thập dữ liệu thứ cấp: Thu thập tài liệu thiết kế kỹ thuật công trình đập và ĐDCQĐ Phước Hòa, chuỗi số liệu quan trắc chất lượng nước (COD, $\text{N-NH}_3$), thủy văn lưu vực sông Bé từ các cơ quan quản lý và nghiên cứu chuyên ngành.
  2. Phương pháp điều tra khảo sát thực địa:
    • Điều tra ngư dân tại 4 xã (Tân Thành, Nha Bích thuộc tỉnh Bình Phước; An Thái, An Linh thuộc tỉnh Bình Dương) về cơ cấu nghề, ngư cụ khai thác (đăng đáy, lưới bén, câu giăng, câu máy, chài), sản lượng, mùa vụ và kích thước tôm khai thác trước và sau khi xây đập.
    • Khảo sát thực tế hiện trạng cơ sở hạ tầng ĐDCQĐ: chia thành 4 khu vực (ĐDCQĐ I: đoạn khe dọc thẳng đứng và hồ nghỉ 1; ĐDCQĐ II: cống điều tiết và hồ nghỉ 2; ĐDCQĐ III: đoạn kênh đất lót/không lót đá cuội; ĐDCQĐ IV: hồ nghỉ 3 và cửa xả hạ lưu).
    • Phỏng vấn chuyên gia quản lý, vận hành và nghiên cứu thủy sản.
  3. Phương pháp thực nghiệm phòng thí nghiệm:
    • Hệ thống kênh nước hở (Open channel): Kênh có chiều dài $L_{kn} = 18\text{ m}$, điều chỉnh độ dốc và lưu lượng để tạo các dải lưu tốc nước danh định: 0,3 m/s; 0,6 m/s; 0,9 m/s. Thử nghiệm đánh giá tỷ lệ di chuyển thành công, tốc độ di chuyển ngược dòng qua kênh 18 m và tỷ lệ duy trì vị trí phía thượng lưu sau 15 giờ.
    • Hệ thống thiết bị thủy lực (Hydraulic flume/respirometer): Kiểm tra khả năng bám giữ vị trí tối đa và xác định giới hạn kiệt sức của tôm càng xanh dưới các bước tăng lưu tốc nước có kiểm soát.
    • Kiểm soát điều kiện môi trường nuôi dưỡng và thử nghiệm: Giữ các chỉ số môi trường tương đồng với thực tế (nhiệt độ $24 - 30^\circ\text{C}$, $\text{pH } 6,5 - 8,5$, $\text{DO} \ge 4\text{ mg/l}$).
  4. Phương pháp xử lý số liệu: Ứng dụng phần mềm SPSS, phân tích phương sai ANOVA để đánh giá tương tác giữa các yếu tố: kích cỡ tôm (cỡ I, cỡ II), lưu tốc nước (0,3; 0,6; 0,9 m/s) và thời gian thí nghiệm đến tỷ lệ di chuyển, tốc độ di chuyển và khả năng bám giữ.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN KHẢ NĂNG DI CHUYỂN CỦA CÁC LOÀI THỦY SẢN DI CƯ ÁP DỤNG CHO ĐƯỜNG DI CƯ QUA ĐẬP

Chương này trình bày tổng quan lý luận về di cư thủy sản, phân tích tác động nhiều mặt của công trình đập ngăn sông đối với hệ sinh thái thủy sinh và đánh giá các giải pháp công trình ĐDCQĐ trên phạm vi quốc tế và tại Việt Nam.

Tác giả phân tích đặc điểm địa lý lưu vực sông Bé và hệ thống bậc thang thủy điện, vị trí hồ chứa nước Phước Hòa. Thông số kỹ thuật của ĐDCQĐ Phước Hòa được tổng hợp chi tiết:

TT Đặc điểm kỹ thuật Thông số và mô tả chi tiết
1 Vị trí tuyến kênh Nằm trong phạm vi đập tràn phụ hồ chứa Phước Hòa
2 Kết cấu chính Bê tông cốt thép kết hợp kênh đất tự nhiên; gồm 2 cửa vào và 2 đoạn kênh hở dài 544 m
3 Cửa vào thượng lưu Cao trình ngưỡng (+41,0 m), tiết diện chữ nhật $B \times H = 2\text{ m} \times 3,8\text{ m}$; cửa van thép đóng mở bằng vít me điện kết hợp thủ công
4 Đoạn 1 Dài 144 m, tiết diện chữ nhật $B \times H = 2\text{ m} \times (2,2\text{ m} - 3,3\text{ m})$, độ dốc bình quân $i = 0,83%$, có bố trí tường cản
5 Đoạn 2 Dài 400 m, tiết diện chữ nhật $B \times H = 4\text{ m} \times 1,4\text{ m}$, độ dốc $i = 4%$, có bố trí mố nhám
6 Lưu lượng thiết kế $Q_{TK} = 1,2\text{ m}^3/\text{s}$
7 Liên kết kết cấu Nối tiếp giữa các bộ phận bê tông bằng khớp nối PVC
8 Toàn tuyến công trình Chiều dài tổng cộng 1,9 km, độ dốc chung 0,7 - 1,43%, bố trí 3 hồ nghỉ dọc tuyến

Chương I cũng tổng kết các đặc tính sinh học của tôm càng xanh (M. rosenbergii): vòng đời 4 giai đoạn (trứng, ấu trùng, ấu niên, trưởng thành), đặc tính phụ thuộc độ mặn 7 - 18‰ ở giai đoạn ấu trùng tại vùng cửa sông, tập tính di cư ngược dòng lên thượng lưu ở giai đoạn ấu niên và xuôi dòng sinh sản của tôm mang trứng vào mùa mưa (từ tháng 5 đến tháng 11).

CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương II thiết lập quy trình nghiên cứu, chuẩn hóa các thông số hình học và thủy lực của hệ thống thiết bị phục vụ thí nghiệm:

  • Thiết kế kênh nước hở 18 m: Thiết kế mặt cắt ngang, mặt cắt dọc, hệ thống máy bơm tạo lưu tốc, van điều tiết, hệ thống đo đạc lưu lượng bằng đập tràn thành mỏng dạng chữ nhật và lưu tốc kế. Kênh được kiểm chuẩn các chỉ số thủy lực: độ sâu mực nước ($h_{kn}$ ứng với các mức 0,3; 0,6; 0,9 m/s), hệ số nhám bờ và đáy ($n_{kn}, n_{knđ}, n_{knb}$), số Reynolds ($Re$), số Froude ($Fr$).
  • Quy trình thí nghiệm bám giữ trong thiết bị thủy lực: Xác định ngưỡng lưu tốc kiệt sức $U_i$ và các bước gia số $U_{ii}$ trong khoảng thời gian $T_{ii}$ cố định, tính toán chỉ số $U_{max}$ theo phương pháp của Brett (1964).
  • Quy trình điều tra xã hội học: Thiết kế phiếu điều tra, phân vùng khảo sát tại 4 xã quanh đập Phước Hòa, lấy mẫu ngư dân theo các nhóm tuổi, loại ngư cụ và mức độ phụ thuộc kinh tế vào nghề khai thác tôm.

CHƯƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

Chương III trình bày toàn bộ số liệu khảo sát thực địa và kết quả thực nghiệm phòng thí nghiệm:

  1. Hiện trạng khai thác và nguồn lợi tôm càng xanh:
    • Số lượng ngư dân khai thác tôm càng xanh suy giảm sau khi đập Phước Hòa vận hành. Ngư cụ chủ yếu gồm đăng đáy ở hạ lưu, lưới bén, câu giăng, câu máy và chài.
    • Mức độ phụ thuộc vào nghề khai thác tôm của cộng đồng địa phương giảm, sản lượng khai thác tự nhiên trên sông Bé suy giảm rõ rệt so với giai đoạn trước khi xây dựng công trình.
  2. Hiện trạng cơ sở hạ tầng và quản lý ĐDCQĐ Phước Hòa:
    • Tuyến kênh đất lót đá cuội bị xói lở nghiêm trọng ở hai bên bờ; một số đoạn kênh đất không lót đá bị bồi lắng và biến dạng mặt cắt.
    • Cống điều tiết lưu lượng đóng kín vào mùa khô để ưu tiên tích nước cho hồ chứa, dẫn đến lòng kênh ĐDCQĐ bị khô cạn hoặc tù đọng, ngăn cản hoàn toàn chu trình di cư của thủy sản trong các tháng mùa khô.
    • Các cửa vào/ra bị cản trở bởi hoạt động khai thác thủy sản trái phép (sử dụng lưới bén, đăng đáy sát cửa ĐDCQĐ).
  3. Kết quả thực nghiệm khả năng di chuyển của tôm càng xanh:
    • Ở lưu tốc 0,3 m/s: Cả tôm cỡ I và tôm cỡ II di chuyển thuận lợi bằng hình thức bò tiến chủ động bám đáy; tỷ lệ di chuyển thành công qua kênh 18 m đạt mức cao nhất, mức độ tổn thương thể chất sau thí nghiệm là 0%.
    • Ở lưu tốc 0,6 m/s: Tôm bắt đầu chuyển đổi dáng điệu di chuyển từ bò tiến sang bò lùi kết hợp bám giữ; tốc độ di chuyển ngược dòng suy giảm; tỷ lệ vượt qua kênh giảm đáng kể so với mức 0,3 m/s.
    • Ở lưu tốc 0,9 m/s: Lưu tốc vượt ngưỡng di chuyển kéo dài của tôm càng xanh; tôm có xu hướng bị nước đẩy dạt về phía hạ lưu kênh, tập trung bám chặt vào lưới chắn hạ lưu hoặc dùng phản xạ bật phóng giật lùi trong thời gian ngắn trước khi kiệt sức hoàn toàn.
    • Khả năng bám giữ vị trí tối đa ($U_{max}$): Xác định được ngưỡng lưu tốc bám giữ tối đa theo công thức Brett ($U_{maxTI}$ cho cỡ I và $U_{maxTII}$ cho cỡ II). Kết quả cho thấy tôm kích thước lớn (cỡ II) có sức chống chịu lưu tốc tuyệt đối cao hơn tôm nhỏ (cỡ I), tuy nhiên cả hai nhóm kích cỡ đều không thể duy trì di chuyển bền vững khi lưu tốc vượt quá 0,6 m/s.
  4. Đề xuất giải pháp quản lý, vận hành:
    • Đề xuất biểu đồ điều tiết lưu tốc dòng chảy trong ĐDCQĐ: duy trì lưu tốc bền vững $U_{opt} \le 0,3\text{ m/s}$ trong toàn tuyến kênh và không vượt quá $0,4 - 0,5\text{ m/s}$ tại các vị trí cục bộ (khe hẹp, cửa van).
    • Đề xuất cải tạo mặt cắt đáy, gia cố các đoạn kênh xói lở bằng đá cuội tạo nhám biên; nạo vét bồi lắng tại 3 hồ nghỉ.
    • Ban hành quy chế phối hợp liên ngành kiểm soát hoạt động đánh bắt thủy sản tại hai đầu cửa ĐDCQĐ.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn

  1. Xác lập cơ sở khoa học về chọn loài mục tiêu: Luận án là công trình đầu tiên tại Việt Nam xác định tôm càng xanh (Macrobrachium rosenbergii) làm loài mục tiêu ưu tiên cho công trình ĐDCQĐ trong hệ sinh thái đa loài nhiệt đới; xây dựng phương pháp luận và quy trình thực nghiệm chuyên sâu phù hợp với đặc tính vận động (bò, bám giữ, bật phóng) của giáp xác nước ngọt.
  2. Cung cấp dữ liệu định lượng về thủy lực sinh thái: Bằng hệ thống kênh nước hở 18 m và thiết bị thủy lực chuyên dụng, luận án đã định lượng hóa mối quan hệ giữa các dải lưu tốc dòng chảy (0,3 m/s; 0,6 m/s; 0,9 m/s) với tỷ lệ di chuyển thành công, tốc độ vận động ngược dòng và ngưỡng lưu tốc bám giữ tối đa ($U_{max}$) của tôm càng xanh giai đoạn ấu niên (cỡ I) và trưởng thành/sinh sản (cỡ II).
  3. Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả ĐDCQĐ Phước Hòa: Kết hợp kết quả thực nghiệm với đánh giá hiện trạng công trình để đưa ra bộ thông số vận hành lưu tốc nước, giải pháp kỹ thuật chỉnh trị lòng kênh và cơ chế quản lý vận hành phù hợp cho hồ chứa Phước Hòa.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Giải pháp thủy lực và vận hành: Điều chỉnh cống phân lưu để duy trì dòng chảy liên tục qua ĐDCQĐ ngay cả trong mùa khô; kiểm soát lưu tốc dòng chảy trong lòng kênh không vượt quá $0,3\text{ m/s}$ trong mùa di cư của tôm ấu niên và tôm bố mẹ (từ tháng 5 đến tháng 11).
  • Giải pháp công trình: Gia cố bờ kênh đất chống sạt lở; bổ sung kết cấu đá cuội tròn tạo độ nhám đáy ($n_{knđ}$) làm giá thể bám cho tôm; cải tạo các hồ nghỉ giảm vận tốc lắng đọng phù sa.
  • Giải pháp quản lý nguồn lợi: Thiết lập hành lang bảo vệ nghiêm ngặt, cấm hoàn toàn các hình thức khai thác bằng ngư cụ cố định (đăng đáy, lưới bén) trong phạm vi tối thiểu 500 m tính từ cửa vào thượng lưu và cửa ra hạ lưu của ĐDCQĐ Phước Hòa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các thông số vận động được xác định chủ yếu trong điều kiện phòng thí nghiệm với dòng chảy đều và môi trường nước kiểm soát; chưa phản ánh đầy đủ tác động cộng hưởng của các yếu tố biến động phức tạp ngoài tự nhiên như độ đục cao trong mùa lũ, sự hiện diện của các loài thủy sản ăn thịt trong kênh, và biến thiên nhiệt độ nước theo ngày đêm.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Thực hiện quan trắc gắn thẻ (tagging) và giám sát tự động bằng camera chuyên dụng đối với tôm càng xanh thực tế di chuyển qua tuyến ĐDCQĐ Phước Hòa khi đã áp dụng chế độ lưu tốc mới.
    • Mở rộng nghiên cứu khả năng di chuyển của các loài cá bản địa khác trong danh mục 8 loài bị ảnh hưởng cao tại hồ Phước Hòa để tối ưu hóa chế độ vận hành liên loài.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho:

  • Cơ quan quản lý và quy hoạch thủy lợi - thủy điện: Cung cấp cơ sở khoa học để thẩm định thiết kế và ban hành quy trình vận hành ĐDCQĐ tại các dự án ngăn sông vùng nhiệt đới.
  • Ban quản lý hồ chứa nước Phước Hòa: Ứng dụng trực tiếp bộ thông số lưu tốc và phương án cải tạo công trình để nâng cao hiệu quả ĐDCQĐ hiện hữu.
  • Cơ sở đào tạo và nghiên cứu: Phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu chuyên ngành Môi trường Đất và Nước, Kỹ thuật Tài nguyên nước, Thủy sản và Sinh thái học công trình.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao ĐDCQĐ Phước Hòa dù được thiết kế giới hạn lưu tốc dưới 0,6 m/s nhưng tôm càng xanh vẫn không thể di cư qua đập?

  • Thực nghiệm cho thấy ở lưu tốc 0,6 m/s, tôm càng xanh đã phải chuyển sang trạng thái bò lùi và bám giữ, tốc độ di chuyển suy giảm mạnh và nhanh chóng kiệt sức. Tuyến ĐDCQĐ dài 1,9 km với khoảng cách giữa các hồ nghỉ quá xa và lưu tốc cục bộ ở một số đoạn dốc (lên đến 4% ở đoạn 2) tạo thành rào cản thủy lực vượt quá khả năng di chuyển bền vững ($U_{opt} \le 0,3\text{ m/s}$) của loài.

2. Hai nhóm kích cỡ tôm thí nghiệm (cỡ I và cỡ II) đại diện cho các giai đoạn sinh học nào?

  • Nhóm TCX cỡ I (7,5 - 9,5 cm) đại diện cho tôm ấu niên đang thực hiện chu trình di cư ngược dòng lên thượng lưu sau giai đoạn phát triển ấu trùng tại vùng cửa sông nước lợ.
  • Nhóm TCX cỡ II (13,5 - 15,5 cm) đại diện cho tôm bố mẹ thành thục di cư xuôi dòng sinh sản và sau đó ngược dòng trở lại thượng lưu để sinh trưởng, phát triển.

3. Công thức nào được dùng để tính lưu tốc bám giữ tối đa của tôm càng xanh trong nghiên cứu?

  • Luận án sử dụng công thức của Brett (1964): $U_{max} = U_i + [(T_i / T_{ii}) \times U_{ii}]$, trong đó xác định dựa trên lưu tốc gần nhất trước khi kiệt sức ($U_i$), bước tăng lưu tốc ($U_{ii}$), thời gian duy trì ở bước kiệt sức ($T_i$) và khoảng thời gian tăng bước ($T_{ii}$).

4. Dấu hiệu thay đổi hành vi vận động của tôm càng xanh khi lưu tốc nước tăng từ 0,3 m/s lên 0,9 m/s là gì?

  • Ở 0,3 m/s, tôm bò tiến chủ động về phía trước; ở 0,6 m/s, tôm đổi sang tư thế bò lùi để giảm lực cản và tăng bám; ở 0,9 m/s, tôm mất khả năng tiến lên, bị dòng nước cuốn dạt về hạ lưu kênh, co cụm bám lưới hoặc phản xạ bật phóng ngắt quãng trước khi bị kiệt sức hoàn toàn.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Vũ Văn Hiếu đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu xác lập cơ sở khoa học và định lượng hóa khả năng di chuyển ngược dòng của tôm càng xanh (Macrobrachium rosenbergii) phục vụ công tác quản lý ĐDCQĐ Phước Hòa. Thông qua phương pháp thực nghiệm thủy lực sinh thái trên kênh hở và thiết bị chuyên dụng, công trình đã làm rõ ngưỡng lưu tốc tối ưu ($U_{opt} \le 0,3\text{ m/s}$) và các giới hạn vận động của hai nhóm kích cỡ tôm đại diện. Các kết quả và giải pháp đề xuất trong luận án đóng góp cơ sở dữ liệu quan trọng cho việc hoàn thiện quy trình vận hành ĐDCQĐ đầu tiên tại Việt Nam, đồng thời cung cấp bài học kinh nghiệm cho các công trình thủy lợi - thủy điện trong tương lai tại vùng nhiệt đới.