Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Trà Lý có chiều dài 64 km, là một phân lưu tự nhiên quan trọng của hạ lưu hệ thống sông Hồng đổ ra vịnh Bắc Bộ. Tuyến sông giữ vai trò quyết định trong việc chia sẻ và chuyển tải từ 8% đến 11% tổng lượng lũ từ sông Hồng (tương đương lưu lượng đỉnh lũ bình quân 1.380 m3/s trong thời đoạn quan trắc), giúp giải tỏa áp lực tiêu thoát nước cho toàn bộ vùng đồng bằng Bắc Bộ. Tuyến sông này trực tiếp bảo vệ an toàn tính mạng, tài sản cho hơn 1.780.954 người dân tỉnh Thái Bình trên tổng diện tích tự nhiên 156.740,49 ha thuộc 8 đơn vị hành chính cấp huyện và thành phố.

Tuy nhiên, áp lực gia tăng từ biến đổi khí hậu toàn cầu và sự phát triển kinh tế xã hội nhanh chóng (tốc độ tăng trưởng GDP của tỉnh đạt bình quân 12,04%/năm giai đoạn 2006-2010) đang đặt hệ thống đê điều trước nhiều thách thức nghiêm trọng. Thực trạng khai thác bãi bồi ven sông không theo quy hoạch, việc tự ý tôn cao và lấn chiếm lòng dẫn của hàng loạt tuyến đê bối dân sinh đã làm co hẹp nghiêm trọng mặt cắt thoát lũ tự nhiên. Thêm vào đó, tác động kép từ triều cường và nước dâng do bão với chiều cao dâng trung bình 1,18 m khiến nguy cơ tràn, vỡ đê luôn thường trực.

Luận văn thạc sĩ khoa học chuyên ngành Thủy văn học của tác giả Trần Đức Tâm, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thanh Hùng tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội năm 2012, tập trung giải quyết bài toán quy hoạch phòng chống lũ chi tiết cho tuyến sông Trà Lý. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu bao gồm: xác định mức đảm bảo an toàn phòng chống lũ theo Quyết định số 92/2007/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ; tính toán chuẩn xác lưu lượng và mực nước lũ thiết kế cho từng đoạn sông; đồng thời xây dựng phương án khai thác, hoàn thiện hành lang thoát lũ và sử dụng không gian các bối bãi. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa then chốt trong việc bảo vệ toàn diện 133.693 ha đất đai thuộc hai vùng trọng điểm Bắc và Nam Thái Bình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống lý thuyết thủy lực dòng chảy một chiều không ổn định trong lòng dẫn hở, được mô tả thông qua hệ phương trình Saint-Venant vi phân phi tuyến gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng. Đây là nền tảng toán học kinh điển cho phép mô phỏng chính xác sự biến đổi không gian và thời gian của lưu lượng cùng mực nước trên toàn mạng lưới sông hạ lưu chịu tác động tương hỗ phức tạp giữa nguồn nước xả từ thượng lưu và dao động thủy triều biển Đông.

Bên cạnh đó, tác giả tích hợp lý thuyết phân phối dòng chảy phân lưu châu thổ sông Hồng và lý thuyết xác suất thống kê thủy văn để xác định các đại lượng lũ thiết kế tương ứng với tần suất xuất hiện P=0,4% (chu kỳ lặp lại 250 năm với lưu lượng lũ tại Sơn Tây là 42.600 m3/s) và P=0,2% (chu kỳ 500 năm với lưu lượng Sơn Tây là 48.000 m3/s). Khung nghiên cứu làm rõ các khái niệm cốt lõi: hành lang thoát lũ an toàn, chỉ giới bảo vệ đê điều, hệ số ổn định hình thái lòng dẫn và tương tác thủy lực đê bối. Toàn bộ quá trình tính toán thủy động lực học được thực hiện trên bộ công cụ mô hình thủy lực một chiều MIKE 11 (mô-đun Hydrodynamic - HD) do Viện Thủy động lực học Đan Mạch (DHI) phát triển.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu nghiên cứu được thu thập toàn diện trên chuỗi thời gian lịch sử dài 58 năm từ năm 1950 đến 2008. Dữ liệu bao gồm các thông số khí tượng, lượng mưa ngày lớn nhất của 8 trạm quan trắc (với giá trị mưa ngày cực đại ghi nhận lên đến 428,0 mm tại trạm Tiên Hưng năm 1975 và 353,5 mm tại Tiền Hải năm 1990), cùng số liệu thủy văn mực nước và lưu lượng thực đo tại 10 trạm chính trên hệ thống sông Hồng - Thái Bình (gồm trạm Hà Nội, Hưng Yên, Thượng Cát, Triều Dương, Trực Phương, Thái Bình, Phả Lại, Phủ Lý, Gián Khẩu, Nam Định) và chuỗi triều truyền tại 9 trạm cửa sông ven biển.

Phương pháp chọn mẫu tập trung vào việc trích xuất dữ liệu của các trận lũ lịch sử đặc biệt lớn xảy ra vào các năm 1969, 1971, 1986, 1996 để phục vụ quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô hình MIKE 11 kết hợp phân tích tương quan thống kê là nhằm phản ánh chân thực bước chuyển biến dòng chảy hạ du qua hai thời kỳ rõ rệt: thời kỳ trước năm 1988 (khi chưa có hồ chứa lớn) và thời kỳ sau năm 1988 đến 2008 (khi có sự vận hành điều tiết cắt lũ liên hồ chứa Hòa Bình và Tuyên Quang). Mạng lưới tính toán được số hóa chi tiết từ các mặt cắt địa hình thực đo dọc theo toàn tuyến 64 km sông Trà Lý, kết hợp kịch bản triều thiên văn P=5% tháng VIII và nước dâng do bão tần suất P=20% tại các cửa sông để thiết lập điều kiện biên thủy lực chuẩn xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã định lượng rõ quy luật biến động phân lưu dòng chảy lũ. Trước khi có hồ Hòa Bình (thời kỳ 1956-1987), tỷ lệ phân lưu lượng mùa cạn từ dòng chính sông Hồng qua sông Đuống là 20%, mùa lũ là 26%. Sau khi có sự tham gia điều tiết của hồ Hòa Bình và hồ Tuyên Quang (thời kỳ 1988-2007), tỷ lệ này tăng lên tương ứng là 29% vào mùa cạn và 30% vào mùa lũ, khiến tỷ lưu qua mặt cắt Hà Nội giảm từ 79% xuống còn 74% dòng chảy năm. Tuy nhiên, lưu lượng phân vào sông Trà Lý vẫn duy trì ở mức cao từ 12% đến 17% tổng lượng nước mùa lũ, khẳng định vị thế huyết mạch thoát lũ của tuyến sông này.

Thứ hai, tác giả đã xác lập được bộ giá trị mực nước lũ thiết kế chính xác ứng với tần suất P=1% cho các trạm thủy văn dọc sông Trà Lý. Cụ thể: mực nước thiết kế tại trạm Quyết Chiến đạt 654 cm (cao hơn đỉnh lũ lịch sử 645 cm ngày 22/08/1971), tại trạm Thái Bình đạt 444 cm (cao hơn đỉnh lũ thực đo 421 cm năm 1971) và tại trạm Định Cư đạt 341 cm (vượt mức đỉnh lũ lịch sử 319 cm ngày 13/08/1968).

Thứ ba, nghiên cứu vạch rõ tác động cộng hưởng nguy hiểm từ biên cửa biển. Mực nước triều thiên văn thiết kế P=5% vào tháng VIII tại Cửa Trà Lý đạt 1,85 m. Khi kết hợp với chiều cao nước dâng do bão tần suất P=20% là 1,18 m, tổng mực nước dâng tổng hợp tại cửa sông lên tới 3,03 m. Yếu tố này cản trở nghiêm trọng quá trình tháo lũ tự nhiên ra biển, làm dâng cao mực nước nội đồng từ 50 đến 100 km ngược dòng.

Thứ tư, phân tích thủy lực phát hiện sự co hẹp dòng dẫn do hệ thống đê bối dân sinh tại các bối bãi như Tịnh Thủy, Thái Thọ, Trà Giang, Hồng Thái. Tại các đoạn sông cong có bán kính cong hẹp từ 770 m đến 1060 m (như đoạn K2+830 hữu ngạn và K22+160 tả ngạn), sự tồn tại của các đê bối cản trở dòng chảy làm gia tăng cục bộ mực nước lũ lòng sông chính từ 0,15 m đến 0,35 m so với điều kiện lòng dẫn tự nhiên, làm giảm đáng kể khả năng thông qua của tuyến thoát lũ.

Thảo luận kết quả

Kết quả phân tích thống kê xu thế mực nước lũ cao nhất năm qua hai thời kỳ 1960-1987 và 1988-2008 cho thấy một hiện tượng thủy văn mang tính nghịch lý nhưng hoàn toàn logic: trong khi trạm Quyết Chiến ở thượng lưu sông Trà Lý có xu thế giảm mực nước cực đại trung bình 7 cm nhờ sự cắt lũ của hồ Hòa Bình, thì trạm Thái Bình và trạm Định Cư ở hạ lưu lại có xu thế tăng lần lượt là 2 cm và 1 cm. Nguyên nhân chính bắt nguồn từ tác động tổng hợp của hiện tượng biến đổi khí hậu, nước biển dâng, cường độ bão gia tăng và tình trạng suy giảm không gian thoát lũ do bồi lắng cửa sông cùng sự phát triển thiếu kiểm soát của các bối bãi dân cư.

Trong quá trình trình bày báo cáo chuyên môn, các tập dữ liệu thủy lực phức tạp này được thể hiện trực quan thông qua các bảng số liệu so sánh mực nước lớn nhất giữa các phương án tuyến thoát lũ, kết hợp đồ thị biểu diễn đường mặt nước dọc sông và biểu đồ mặt cắt ngang lòng dẫn trước và sau khi bị co hẹp. Biểu đồ so sánh cao trình đỉnh đê hiện tại với đường mực nước lũ tính toán chỉ ra nhiều vị trí đê có cao trình an toàn rất mỏng manh, không đáp ứng độ vượt cao an toàn sóng từ 0,5 đến 0,7 m khi xuất hiện lũ thiết kế kết hợp triều dâng bão. Kết quả này hoàn toàn nhất quán với định hướng trong Quyết định số 92/2007/QĐ-TTg, khẳng định sự cần thiết phải kết hợp hài hòa giữa giải pháp công trình nâng cấp đê và giải pháp phi công trình trong quản lý hành lang thoát lũ.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, thực hiện khoanh định và cắm mốc chỉ giới hành lang thoát lũ dọc theo toàn bộ 64 km tuyến sông Trà Lý hoàn thành trước năm 2015. Ủy ban nhân dân tỉnh Thái Bình cùng Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cần ban hành quy định nghiêm cấm việc tự ý tôn cao, đắp mới các tuyến đê bối ngoài bãi sông, đồng thời xử lý triệt để các hành vi vi phạm trật tự xây dựng lấn chiếm lòng sông để bảo toàn mặt cắt thoát lũ tối thiểu.

Thứ hai, điều chỉnh phương án phân loại và sử dụng không gian các bối bãi dân cư ven sông theo lộ trình 2012-2020. Đối với các khu bối bãi có mật độ dân cư đông đúc như bối Trà Giang, bối Hồng Thái, bối Thái Thọ, cần xây dựng quy chế chủ động cho tràn khi mực nước lũ vượt báo động cấp III nhằm bảo vệ an toàn tuyệt đối cho tuyến đê chính cấp I và cấp II. Song song với đó, chính quyền các huyện Vũ Thư, Đông Hưng, Kiến Xương, Thái Thụy cần chủ động lập kế hoạch di dời 100% các hộ dân cư nằm trong vùng nguy cơ cao sạt lở vào phía trong đê chính.

Thứ ba, đẩy mạnh đầu tư kiên cố hóa đê điều và xử lý cấp bách 8 đoạn sông cong xung yếu có nguy cơ xói lở nghiêm trọng, điển hình như đoạn K1+460 tả ngạn (bề rộng 125 m, bán kính cong 800 m) và đoạn K2+830 hữu ngạn (bề rộng 135 m, bán kính cong 770 m). Mục tiêu đạt mức đảm bảo an toàn chống lũ chu kỳ 250 năm (P=0,4%) cho hệ thống đê sông chính, nâng cấp các cống dưới đê bị xuống cấp và gia cố kè lát mái chống sóng với biên độ cao trình vượt sóng an toàn từ 0,5 đến 0,7 m trước năm 2018.

Thứ tư, hiện đại hóa mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn tự động và hệ thống cảnh báo sớm thiên tai lưu vực sông Trà Lý. Chi cục Thủy lợi và Phòng chống lụt bão tỉnh Thái Bình phối hợp cùng các đơn vị chuyên môn thiết lập hệ thống trạm đo mực nước, truyền triều và độ mặn tự động thời gian thực tại các vị trí xung yếu (Quyết Chiến, thành phố Thái Bình, Định Cư và Cửa Trà Lý) nhằm cung cấp dữ liệu tức thời phục vụ công tác chỉ đạo vận hành xả tràn, đóng mở các cống tiêu thoát nước kịp thời.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất bao gồm các cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước, nông nghiệp và quy hoạch xây dựng như Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Thái Bình, Chi cục Đê điều và Phòng chống lụt bão, Sở Xây dựng. Nhóm này có thể sử dụng các chỉ số mực nước lũ thiết kế tần suất 1% và ranh giới hành lang thoát lũ được xác lập trong luận văn làm căn cứ pháp lý và kỹ thuật chuẩn xác để thẩm định, phê duyệt các quy hoạch phát triển kinh tế xã hội, quy hoạch sử dụng đất bãi bồi ven sông trên diện tích 133.693 ha vùng bảo vệ.

Nhóm thứ hai là các kỹ sư thủy lợi, chuyên gia tư vấn thiết kế công trình hạ tầng và giao thông thủy bộ. Nghiên cứu cung cấp tài liệu tham khảo thực chứng với bộ thông số thủy động lực học chuẩn xác (lưu lượng, vận tốc dòng chảy, mực nước gia tăng do triều cường 3,03 m tại cửa sông) để tính toán khẩu độ thoát nước của các cây cầu mới, thiết kế nâng cấp hệ thống cống tiêu dưới đê và các tuyến kè chống sạt lở bờ sông Trà Lý.

Nhóm thứ ba là các nhà khoa học, giảng viên và học viên cao học, nghiên cứu sinh chuyên ngành Thủy văn học, Kỹ thuật tài nguyên nước, Biến đổi khí hậu. Luận văn là một case study điển hình về quy trình ứng dụng mô hình toán MIKE 11 để giải quyết bài toán tương tác thủy lực mạng lưới sông chịu tác động kép của liên hồ chứa thượng lưu và triều dâng bão vùng hạ du trên chuỗi dữ liệu 58 năm.

Nhóm thứ tư là Ban chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn các cấp thuộc 7 huyện và thành phố Thái Bình. Luận văn cung cấp luận cứ khoa học thực tiễn giúp các địa phương xây dựng kịch bản ứng phó với các trận lũ cực trị, lập phương án sơ tán dân sinh vùng đê bối và điều hành đóng mở hệ thống cống thủy nông bảo vệ an toàn mùa màng và đời sống dân sinh.

Câu hỏi thường gặp

Khả năng thoát lũ của sông Trà Lý đóng vai trò như thế nào trong toàn bộ hệ thống hạ lưu sông Hồng? Sông Trà Lý chuyển tải từ 8% đến 11% tổng lượng lũ từ Sơn Tây ra vịnh Bắc Bộ, tương đương lưu lượng bình quân 1.380 m3/s. Trong các trận lũ lịch sử, tuyến sông này giúp chia sẻ áp lực nước rất lớn cho hạ du sông Hồng, làm giảm nguy cơ ngập úng diện rộng cho toàn vùng đồng bằng Bắc Bộ.

Sự vận hành của các hồ chứa lớn như Hòa Bình và Tuyên Quang làm thay đổi chế độ dòng chảy lũ sông Trà Lý ra sao? Sau khi có các hồ chứa lớn, tỷ lệ phân dòng chảy từ sông Hồng sang sông Đuống tăng lên 30% vào mùa lũ, giúp giảm nhẹ mực nước lũ cực đại trung bình tại trạm thượng lưu Quyết Chiến khoảng 7 cm. Tuy nhiên, mực nước hạ lưu tại trạm Thái Bình và Định Cư vẫn có xu thế tăng từ 1 đến 2 cm do chịu ảnh hưởng mạnh của triều dâng.

Mực nước lũ thiết kế tần suất P=1% được tính toán cho các trạm trọng điểm trên sông Trà Lý là bao nhiêu? Theo tính toán thủy lực của luận văn, mực nước lũ thiết kế ứng với tần suất 1% tại trạm Quyết Chiến đạt 654 cm, tại trạm Thái Bình đạt 444 cm và tại trạm Định Cư đạt 341 cm. Các mức nước thiết kế này đều cao hơn đỉnh lũ lịch sử từng ghi nhận trên lưu vực vào các năm 1968 và 1971.

Tại sao cần phải kiểm soát nghiêm ngặt việc tôn tạo các tuyến đê bối dọc sông Trà Lý? Việc tự phát tôn cao đê bối tại các khu vực như Hồng Thái, Trà Giang, Thái Thọ làm co hẹp mặt cắt ướt tự nhiên của lòng sông, làm gia tăng mực nước lũ lòng chính cục bộ từ 0,15 đến 0,35 m. Điều này làm tăng áp lực xói lở vào chân đê chính, đe dọa an toàn toàn bộ hệ sinh thái ven sông.

Yếu tố thủy triều và nước biển dâng do bão tác động như thế nào đến khả năng thoát lũ của sông? Vùng cửa Trà Lý chịu chế độ nhật triều với biên độ dao động triều lớn tới 3,5 đến 4,0 m. Khi xuất hiện triều thiên văn thiết kế P=5% tháng VIII kết hợp nước dâng do bão P=20% (1,18 m), mực nước tổng cộng tại cửa sông đạt 3,03 m, làm chậm quá trình tiêu thoát lũ và đẩy nước dâng ngược sâu vào nội đồng.

Kết luận

Năm đóng góp và kết luận trọng tâm rút ra từ luận văn:

  • Khẳng định vai trò phân lưu lũ chiến lược của 64 km sông Trà Lý, đảm nhận chuyển tải an toàn từ 8% đến 11% tổng lượng lũ sông Hồng bảo vệ hơn 1,78 triệu người dân tỉnh Thái Bình.
  • Xác lập cơ sở khoa học bộ thông số lũ thiết kế tần suất P=1% với mực nước đỉnh lũ tại trạm Quyết Chiến đạt 654 cm, trạm Thái Bình đạt 444 cm và trạm Định Cư đạt 341 cm.
  • Định lượng chính xác tác động tổng hợp của triều dâng kết hợp bão tại Cửa Trà Lý với mực nước thiết kế lên tới 3,03 m, vạch rõ mối nguy ngập lụt kép cho vùng hạ du.
  • Đánh giá thực trạng cản trở thoát lũ của hệ thống đê bối dân sinh tại các đoạn sông uốn khúc, đề xuất giải pháp cho phép tràn chủ động để giảm tải cho đê chính.
  • Xây dựng hệ thống giải pháp công trình kiên cố hóa 8 đoạn sông cong xung yếu kết hợp cắm mốc chỉ giới hành lang bảo vệ thoát lũ đồng bộ.

Về đóng góp chính, luận văn của tác giả Trần Đức Tâm đã cung cấp một bức tranh toàn diện, luận cứ khoa học thực tiễn và bộ công cụ thủy động lực học có độ tin cậy cao để giải bài toán quy hoạch phân lũ chi tiết cho sông Trà Lý theo định hướng Quyết định số 92/2007/QĐ-TTg.

Về lộ trình các bước tiếp theo, các cơ quan ban ngành cần nhanh chóng triển khai cắm mốc ranh giới thoát lũ giai đoạn 2015-2018, đồng thời tích hợp các kịch bản thủy lực này vào quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế xã hội và quản lý rủi ro thiên tai của tỉnh Thái Bình giai đoạn 2020-2030. Việc triển khai đồng bộ các giải pháp công trình và phi công trình chính là chìa khóa then chốt để kiến tạo một không gian thoát lũ an toàn, hướng tới sự phát triển bền vững và thịnh vượng cho toàn lưu vực.