Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống thủy lợi tỉnh Thanh Hóa hiện có 610 hồ chứa nước đang cung cấp nguồn nước tưới cho hơn 71.305 ha đất canh tác nông nghiệp, trong đó có 4 công trình lớn đạt dung tích trữ từ 10 triệu m3 trở lên gồm hồ Cửa Đạt, hồ Sông Mực, hồ Yên Mỹ và hồ Hao Hao. Phần lớn các công trình hồ chứa được xây dựng trong giai đoạn 1970 - 1980 với điều kiện kỹ thuật và nguồn vốn hạn chế, dẫn đến việc thiết kế ban đầu chỉ phục vụ đơn mục tiêu là tưới nông nghiệp. Hiện nay, toàn tỉnh có tới 400 công trình bị xuống cấp nghiêm trọng và 108 hồ chứa nhỏ hư hỏng nặng, đe dọa an toàn đập trong mùa mưa lũ.

Hồ chứa nước Sông Mực nằm trên địa bàn huyện Như Thanh với diện tích lưu vực 236 km2 và dung tích toàn bộ 200 triệu m3 đang đứng trước sức ép lớn do biến đổi khí hậu và tốc độ phát triển kinh tế nhanh chóng của vùng hạ lưu sông Yên. Nhu cầu dùng nước thực tế tại hạ du đã gia tăng vượt bậc so với hồ sơ thiết kế năm 1977. Đề tài tập trung nghiên cứu xác định lại dung tích hữu ích và kiểm tra ổn định công trình đầu mối nhằm chuyển đổi công năng hồ Sông Mực sang phục vụ đa mục tiêu. Phạm vi nghiên cứu bao quát chuỗi số liệu thủy văn 49 năm và đánh giá nhu cầu cấp nước toàn diện cho 11.344 ha đất canh tác nông nghiệp, cấp nước công nghiệp cho Khu kinh tế Nghi Sơn 70.000 m3/ngày đêm, cấp nước sinh hoạt cho 3 nhà máy nước sạch công suất 12.500 m3/ngày đêm, phục vụ nuôi trồng thủy sản và cắt giảm lũ cho 4.540 ha vùng hạ du sông Yên. Nghiên cứu mang lại ý nghĩa quan trọng khi giải quyết bài toán thiếu hụt 25% nhu cầu nước mùa kiệt, bảo vệ an toàn công trình cấp II và tạo nền tảng phát triển kinh tế bền vững cho tỉnh Thanh Hóa đến năm 2030.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều tiết dòng chảy hồ chứa nhiều năm của Pleskop và nguyên lý cân bằng nước mặt lòng hồ nhằm xác định chính xác dung tích hữu ích cần thiết. Quá trình tính toán nhu cầu nước mặt ruộng dựa trên mô hình CROPWAT của Tổ chức Nông Lương Liên Hiệp Quốc FAO, tích hợp phương pháp Penman cải tiến để tính lượng bốc thoát hơi tiềm năng và phương pháp USBR để xác định lượng mưa hiệu quả với tần suất thiết kế 85%.

Ba khái niệm cốt lõi được vận dụng xuyên suốt đề tài gồm: dung tích hiệu dụng điều tiết nhiều năm, hệ số hiệu ích dòng chảy biểu thị mức độ khai thác nguồn nước đến, và hệ số lợi dụng kênh mương biểu thị hiệu quả vận chuyển nước. Hệ thống quy chuẩn và tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia được áp dụng nghiêm ngặt gồm Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCVN 04-05:2012 về công trình thủy lợi - các quy định chủ yếu về thiết kế, Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 8414:2010 về quy trình quản lý vận hành và kiểm tra an toàn hồ chứa, Tiêu chuẩn TCVN 285-2002 về phân cấp công trình thủy lợi, cùng các quy định của Nghị định 72/2007/NĐ-CP về quản lý an toàn đập.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu sử dụng cỡ mẫu chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn liên tục 49 năm từ năm 1964 đến năm 2012 tại trạm khí tượng thủy văn Như Xuân và trạm Yên Mỹ, kết hợp dữ liệu hiện trạng của 2.250 công trình thủy lợi đầu mối trên toàn tỉnh Thanh Hóa. Phương pháp chọn mẫu áp dụng kỹ thuật chọn năm đại biểu điển hình phân phối theo 3 cấp tần suất thủy văn bất lợi: năm nhiều nước ứng với tần suất 25% (năm 1984), năm nước trung bình ứng với tần suất 50% (năm 1999) và năm ít nước ứng với tần suất 85% (năm 1966).

Lý do lựa chọn phương pháp mô hình toán thủy lực kết hợp phương pháp giải tích đường đặc tính dung tích lòng hồ là vì tổng nhu cầu dùng nước thực tế 192,11 triệu m3/năm lớn hơn lượng dòng chảy đến ứng với tần suất kiệt 85% (165,72 triệu m3) nhưng nhỏ hơn lượng dòng chảy bình quân năm (195,97 triệu m3). Đây là điều kiện thủy văn phức tạp đòi hỏi phải phân tích thành phần dung tích điều tiết nhiều năm qua biểu đồ quan hệ giữa hệ số dung tích, hệ số biến sai dòng chảy Cv = 0,38 và hệ số bất đối xứng Cs = 2Cv, đảm bảo kết quả tính toán có độ chính xác cao và phản ánh trung thực quy luật vận hành thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã xác định tổng nhu cầu dùng nước của các ngành tại hạ du hồ Sông Mực tăng lên mức 192,11 triệu m3/năm, tăng 25% so với nhiệm vụ thiết kế ban đầu. Trong đó, nhu cầu cấp nước cho nông nghiệp tại đầu mối đạt 129,68 triệu m3/năm (lượng nước tưới mặt ruộng là 85,52 triệu m3 với hệ số kênh mương 0,85), nhu cầu nước công nghiệp là 45,531 triệu m3/năm, nhu cầu nước sinh hoạt là 6,36 triệu m3/năm và nuôi trồng thủy sản là 10,539 triệu m3/năm.

Thứ hai, kết quả cân bằng nước chỉ ra rằng hồ Sông Mực bắt buộc phải chuyển từ chế độ điều tiết năm sang chế độ điều tiết nhiều năm. Với lượng dòng chảy bình quân nhiều năm đạt 195,97 triệu m3 và hệ số hiệu ích dòng chảy alpha đạt 0,98, nghiên cứu xác định thành phần dung tích điều tiết nhiều năm cần bổ sung là 46,64 triệu m3 (ứng với hệ số dung tích beta = 0,238).

Thứ ba, công trình đầu mối hiện tại với cao trình đỉnh đập đất +39,40 m, cao trình tường chắn sóng +40,40 m và tràn xả lũ 2 cửa van kích thước 2x(4x5)m với lưu lượng xả thiết kế 267 m3/s chưa đảm bảo an toàn tuyệt đối khi nâng cao mực nước dâng bình thường theo chức năng mới. Nghiên cứu phát hiện việc chuyển đổi tràn thực dụng sang công nghệ tràn phím Piano (Piano Key Weir) sẽ giúp tăng lưu lượng xả từ 1,5 đến 2,2 lần trong cùng một khẩu độ tràn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ nhu cầu dùng nước là do biến đổi khí hậu làm nền nhiệt độ trung bình tăng từ 2 đến 3 độ C, số ngày nắng nóng trên 35 độ C tăng thêm 15 đến 30 ngày trong năm, làm giảm lượng mưa mùa khô và tăng mạnh lượng bốc hơi mặt ruộng. Đồng thời, sự phát triển nhanh của Khu kinh tế Nghi Sơn với nhu cầu 70.000 m3/ngày đêm cùng các nhà máy công nghiệp địa phương đã tạo áp lực lớn lên nguồn nước.

Dữ liệu điều tiết hồ chứa được biểu diễn tối ưu thông qua biểu đồ đường đặc tính dung tích lòng hồ quan hệ giữa cao trình mực nước, diện tích mặt nước và dung tích trữ, kết hợp bảng so sánh hệ số tăng lưu lượng xả giữa tràn phím Piano loại A, loại B so với tràn Creager cổ điển. Biểu đồ đường quá trình lũ thiết kế với lưu lượng đỉnh lũ 2.397,4 m3/s (tần suất P=0,5%) và tổng lượng lũ 424,3 triệu m3 chứng minh rằng giải pháp nâng cao ngưỡng tràn kết hợp tràn phím Piano giúp giữ ổn định mực nước lũ kiểm tra mà không làm gia tăng nguy cơ ngập lụt vùng hạ du. So với các công trình cải tạo hồ Cửa Đạt hay hồ Yên Mỹ, phương án kết hợp tràn phím Piano và đắp áp trúc mái đập tại hồ Sông Mực mang lại hiệu quả vượt trội về mặt kinh tế kỹ thuật, giảm thiểu 30% khối lượng thi công xây lắp và đảm bảo an toàn ổn định mái đập với hệ số ổn định trượt đạt yêu cầu kỹ thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, cải tạo nâng cấp tràn xả lũ hiện hữu bằng công nghệ tràn phím Piano kết hợp cửa van điều tiết. Chủ thể thực hiện là Công ty TNHH Một thành viên Sông Chu phối hợp cùng Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Thanh Hóa. Mục tiêu kỹ thuật là nâng hệ số xả lũ thêm 1,8 lần, giữ ổn định mực nước dâng bình thường ở cao trình thiết kế mới nhằm tích trữ thêm 46,64 triệu m3 dung tích hữu ích, lộ trình triển khai hoàn thành trong giai đoạn 2016 - 2020.

Thứ hai, gia cố thân đập đất và nâng cao tường chắn sóng đập chính. Ban Quản lý Đầu tư Xây dựng Thủy lợi tỉnh Thanh Hóa chủ trì thi công đắp áp trúc gia tải mái thượng lưu từ cao trình cơ +28,50 m và áp trúc mái hạ lưu kết hợp hoàn thiện đống đá thoát nước, nâng đỉnh tường chắn sóng lên trên mức +40,50 m nhằm đảm bảo hệ số an toàn ổn định trượt mái đập K >= 1,3 theo quy chuẩn, hoàn thành trong giai đoạn 2017 - 2022.

Thứ ba, kiên cố hóa đồng bộ hệ thống kênh mương tưới tiêu. Ủy ban nhân dân các huyện Như Thanh, Nông Cống cùng các hợp tác xã dùng nước tập trung kiên cố hóa 100% các đoạn kênh còn lại thuộc tuyến kênh chính dài 5 km, kênh Nam dài 22,3 km và kênh Bắc dài 8,3 km, nâng hệ số lợi dụng kênh mương từ 0,7 lên 0,85 nhằm tiết kiệm 15 triệu m3 nước thất thoát hàng năm, thực hiện liên tục từ năm 2016 đến năm 2025.

Thứ tư, lắp đặt hệ thống quan trắc tự động và xây dựng quy trình vận hành hồ chứa thời gian thực. Chi cục Thủy lợi Thanh Hóa chỉ đạo lắp đặt hệ thống quan trắc áp lực thấm, biến dạng chuyển vị thân đập và 5 trạm đo mưa tự động trên lưu vực 236 km2, tích hợp phần mềm điều hành xả lũ thông minh, hoàn thành phê duyệt và áp dụng thực tế trước năm 2023.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm doanh nghiệp quản lý khai thác công trình thủy lợi, trực tiếp là Công ty TNHH Một thành viên Sông Chu và các công ty thủy nông lân cận, có thể ứng dụng trực tiếp mô hình phân phối 192,11 triệu m3 nước để tối ưu hóa lịch đóng mở cống và điều tiết nước cho các ngành kinh tế.

Nhóm kỹ sư tư vấn thiết kế và quy hoạch thủy lợi thuộc các viện nghiên cứu chuyên ngành có thể tham khảo phương pháp tính toán thủy văn điều tiết nhiều năm và giải pháp ứng dụng tràn phím Piano để cải tạo nâng cao dung tích các hồ đập cũ mà không cần mở rộng khẩu độ tràn đất.

Nhóm cơ quan quản lý nhà nước như Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Chi cục Thủy lợi Thanh Hóa sử dụng luận văn làm căn cứ khoa học để hoàn thiện phương án phòng chống lũ cho 4.540 ha hạ du sông Yên và xây dựng đề án phân cấp quản lý cho 388 hồ chứa có dung tích trên 200.000 m3.

Nhóm giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Công trình Thủy lợi, Quản lý Tài nguyên Nước tại các trường đại học sử dụng tài liệu làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về ứng dụng mô hình CROPWAT và phương pháp Pleskop trong bài toán thích ứng với biến đổi khí hậu.

Câu hỏi thường gặp

Hồ Sông Mực tại sao bắt buộc phải chuyển sang chế độ điều tiết nhiều năm?

Hồ Sông Mực phải chuyển sang chế độ điều tiết nhiều năm vì tổng nhu cầu dùng nước thực tế là 192,11 triệu m3/năm đã vượt qua lượng nước đến trong năm ít nước với tần suất 85% là 165,72 triệu m3, nhưng vẫn nhỏ hơn lượng dòng chảy bình quân năm là 195,97 triệu m3. Do đó, hồ cần tích lũy lượng nước dư thừa từ các năm nhiều nước để bù đắp cho các năm khô hạn kéo dài.

Giải pháp tràn phím Piano mang lại ưu điểm vượt trội gì so với tràn Creager truyền thống?

Tràn phím Piano có dạng mặt bằng zích zắc giúp tăng đáng kể chiều dài đường tràn hiệu dụng trong một bề rộng khẩu độ công trình cố định. Giải pháp này làm tăng lưu lượng xả lũ từ 1,5 đến 2,2 lần so với tràn thực dụng Creager, cho phép nâng cao mực nước dâng bình thường để tích thêm dung tích nước mà vẫn đảm bảo xả an toàn lưu lượng lũ thiết kế 267 m3/s.

Tổng nhu cầu dùng nước 192,11 triệu m3/năm được phân bổ chi tiết cho các ngành như thế nào?

Lượng nước 192,11 triệu m3/năm được phân bổ cho 4 nhóm nhiệm vụ chính: nông nghiệp sử dụng 129,68 triệu m3 tại đầu mối để tưới cho 11.344 ha cây trồng; công nghiệp sử dụng 45,531 triệu m3 cấp cho Khu kinh tế Nghi Sơn và các nhà máy; sinh hoạt sử dụng 6,36 triệu m3 cho 3 nhà máy nước sạch; và nuôi trồng thủy sản sử dụng 10,539 triệu m3.

Hiện trạng các hồ chứa nước tại Thanh Hóa đang gặp phải những nguy cơ mất an toàn nào?

Toàn tỉnh Thanh Hóa có 610 hồ chứa nhưng có đến 400 công trình bị xuống cấp và 108 hồ hư hỏng nặng do xây dựng thủ công trước năm 1980. Các hư hỏng phổ biến gồm mái đập bị xói lở và xuất hiện cung trượt, cống lấy nước bị rò rỉ lùng mố đáy, tràn xả lũ bằng đất bị xói lở sâu, và 325 công nhân vận hành chưa qua đào tạo chuyên môn.

Việc nâng cấp hồ Sông Mực đóng góp như thế nào vào công tác phòng chống lũ cho hạ du?

Công trình nâng cấp giúp kiểm soát và cắt giảm đỉnh lũ thiết kế từ 2.397,4 m3/s xuống lưu lượng xả qua tràn an toàn 271,8 m3/s ở tần suất P=0,5%. Cơ chế điều tiết lũ chủ động này bảo vệ an toàn tính mạng cho dân cư huyện Như Thanh và ngăn ngừa ngập lụt nghiêm trọng cho 4.540 ha đất sản xuất nông nghiệp dọc lưu vực sông Yên.

Kết luận

  • Luận văn đã xác lập cơ sở khoa học vững chắc về sự gia tăng tổng nhu cầu dùng nước đa mục tiêu tại hạ du hồ Sông Mực lên mức 192,11 triệu m3/năm.
  • Chứng minh tính tất yếu của việc chuyển đổi hình thức vận hành hồ Sông Mực sang chế độ điều tiết nhiều năm với dung tích điều tiết bổ sung 46,64 triệu m3.
  • Đề xuất thành công tổ hợp giải pháp kỹ thuật công nghệ cao gồm tràn phím Piano và gia cố áp trúc thân đập đất đảm bảo an toàn tuyệt đối theo tiêu chuẩn TCVN 8414:2010.
  • Cung cấp mô hình cải tạo, nâng cấp điển hình có thể nhân rộng cho 400 hồ chứa đang xuống cấp trên địa bàn toàn tỉnh Thanh Hóa.
  • Đóng góp luận cứ quan trọng phục vụ quy hoạch tổng thể cấp nước và phát triển kinh tế xã hội bền vững cho Khu kinh tế Nghi Sơn và các vùng phụ cận.

Kế hoạch triển khai tiếp theo cần tập trung hoàn thiện công tác kiểm định an toàn đập định kỳ, số hóa dữ liệu quan trắc công trình và ứng dụng công nghệ viễn thám trong giám sát lưu vực 236 km2 giai đoạn 2016 - 2025. Các cơ quan quản lý thủy lợi và chủ đập hãy áp dụng ngay kết quả nghiên cứu của luận văn để nâng cao năng lực tích trữ nguồn nước và chủ động ứng phó với thiên tai bão lũ.