Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải, nằm tại trung tâm đồng bằng Bắc Bộ, bao gồm địa giới hành chính của 4 tỉnh với diện tích tự nhiên khoảng 214.932 ha, trong đó đất nông nghiệp chiếm 146.756 ha và dân số khoảng 3 triệu người. Hệ thống được xây dựng từ năm 1959, trải qua hơn 54 năm vận hành, với các công trình chính như cống Xuân Quan, cống Báo Đáp, hơn 235 km kênh trục chính, 13 công trình điều tiết, trên 300 trạm bơm lớn nhỏ và hàng ngàn cống tưới tiêu.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào hiện tượng xói hạ lưu các công trình thủy lợi, đặc biệt là các cống chính trong hệ thống, gây mất an toàn và tốn kém chi phí xử lý. Nguyên nhân chủ yếu được xác định là do lưu tốc dòng chảy vượt quá mức cho phép, phần lớn xuất phát từ việc vận hành mở cống không có thông tin lưu lượng chính xác, dẫn đến mở cống quá mức. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng của việc vận hành mở cống đến quá trình xói lở, xây dựng cơ sở lý thuyết và phần mềm tính toán độ mở cống hợp lý nhằm hạn chế xói lở hạ lưu công trình. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các cống chính trong hệ thống Bắc Hưng Hải như Xuân Quan, Báo Đáp, Cầu Xe, An Thổ, Lực Điền, Tranh, Bá Thủy, Neo, Cầu Xe, An Thổ.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả quản lý vận hành hệ thống thủy lợi, giảm thiểu thiệt hại do xói lở, đồng thời góp phần bảo vệ an toàn công trình và phát triển bền vững kinh tế - xã hội vùng đồng bằng Bắc Bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết thủy lực và mô hình toán học về dòng chảy qua công trình thủy lợi, đặc biệt là các công trình cống ngầm và cống lộ thiên. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết chảy không áp và chảy có áp trong cống: Phân tích các trạng thái dòng chảy qua cống như chảy không áp, chảy nửa áp và chảy có áp, dựa trên mực nước thượng lưu và hạ lưu, độ mở cửa cống, chiều dài cống và các hệ số thủy lực đặc trưng.

  2. Mô hình tính toán lưu lượng và vận tốc dòng chảy: Sử dụng các công thức tính lưu lượng qua cống theo chế độ chảy ngập và không ngập, kết hợp với hệ số co hẹp mặt cắt, hệ số lưu tốc và các hệ số tổn thất cục bộ để xác định vận tốc mạch động và áp lực mạch động gây xói lở.

Các khái niệm chính bao gồm: độ mở cống, vận tốc khởi động xói, mạch động lưu tốc, mạch động áp lực, hệ số K phụ thuộc loại đất, chế độ chảy ngập và không ngập, chiều dài tới hạn của cống, và các hệ số tổn thất thủy lực.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa điều tra thực địa, thu thập số liệu đo đạc mực nước, lưu lượng tại các cống chính trong hệ thống Bắc Hưng Hải, và phân tích mô hình toán học thủy lực. Cỡ mẫu bao gồm các cống chính như Xuân Quan, Báo Đáp, Cầu Xe, An Thổ, Lực Điền, Tranh, Bá Thủy, Neo với số liệu đo đạc thực tế từ các trạm bơm và công trình điều tiết.

Phương pháp chọn mẫu là chọn các công trình đại diện cho các dạng cống và vị trí địa lý khác nhau trong hệ thống để đảm bảo tính tổng quát. Phân tích dữ liệu sử dụng mô hình toán thủy lực, công thức tính toán lưu lượng và vận tốc, kết hợp với phần mềm mô phỏng thủy lực được xây dựng trong nghiên cứu.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian thu thập số liệu thực địa, phân tích mô hình và xây dựng phần mềm tính toán, với các giai đoạn chính: khảo sát thực địa, xử lý số liệu, mô hình hóa, thử nghiệm và hiệu chỉnh phần mềm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng xói lở nghiêm trọng tại các cống chính: Cống Cầu Xe bị xói hạ lưu sâu đến -16 m, vượt quá thiết kế 12 m, hồ xói dài 100 m; cống Xuân Quan từng bị xói sâu 0,7-1,0 m dài 70 m trước đây; cống Tranh mới bị xói sâu 0,5-0,7 m với hồ xói rộng 60x60 m. Các cống khác như Báo Đáp, Bá Thủy, Neo cũng xuất hiện xói lở với độ sâu từ 0,3 đến 0,7 m.

  2. Nguyên nhân chính là vận hành mở cống không hợp lý: Việc mở cống dựa trên kinh nghiệm và yêu cầu lấy nước nhanh, thiếu thông tin lưu lượng chính xác, dẫn đến lưu tốc dòng chảy vượt quá vận tốc khởi động xói cho phép (theo tiêu chuẩn thiết kế hệ thống kênh tưới 4118-85). Tỷ lệ lưu lượng vượt mức cho phép gây ra xói lở hạ lưu công trình.

  3. Mối quan hệ giữa lưu lượng qua cống và vận tốc mạch động: Qua số liệu đo đạc thực tế tại các cống Kênh Cầu, Tranh, Lực Điền, vận tốc điểm lớn nhất có quan hệ chặt chẽ với lưu tốc trung bình, cho phép nội suy và dự báo vận tốc mạch động tại các điều kiện vận hành khác nhau.

  4. Phần mềm tính toán độ mở cống hợp lý: Đã xây dựng thành công phần mềm tính toán dựa trên các công thức thủy lực, cho phép xác định độ mở cống an toàn tương ứng với các mức mực nước thượng lưu và hạ lưu, giúp vận hành cống tránh gây xói lở. Phần mềm cũng bao gồm modul tính toán khối lượng xói lở và bồi lắng kênh hạ lưu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân xói lở chủ yếu do vận hành mở cống không dựa trên thông tin lưu lượng chính xác, dẫn đến lưu tốc dòng chảy vượt quá giới hạn chịu đựng của lòng dẫn. So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy hiện tượng xói lở hạ lưu công trình thủy lợi phổ biến khi vận hành không kiểm soát lưu lượng và vận tốc dòng chảy. Việc xây dựng phần mềm tính toán độ mở cống là bước tiến quan trọng, giúp chuyển đổi từ kinh nghiệm sang vận hành dựa trên dữ liệu và mô hình khoa học.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ lưu lượng - vận tốc mạch động, bảng tổng hợp mức độ xói lở tại các cống, và sơ đồ mô phỏng quá trình mở cống theo các bước mực nước hạ lưu tăng dần. Các kết quả này hỗ trợ công tác quản lý vận hành, giảm thiểu rủi ro xói lở và tăng tuổi thọ công trình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phần mềm tính toán độ mở cống trong vận hành thực tế: Công ty TNHH MTV KTCTTL Bắc Hưng Hải cần triển khai phần mềm để xác định độ mở cống an toàn theo từng mức mực nước, giảm thiểu xói lở hạ lưu. Thời gian áp dụng trong vòng 1 năm, với đào tạo nhân viên vận hành.

  2. Xây dựng quy trình vận hành cống dựa trên dữ liệu và mô hình thủy lực: Thiết lập quy trình vận hành chuẩn, yêu cầu vận hành theo các mức độ mở cống đã tính toán, tránh mở cống quá mức. Chủ thể thực hiện là công ty quản lý hệ thống và các đơn vị vận hành địa phương.

  3. Tăng cường giám sát, đo đạc lưu lượng và mực nước liên tục: Lắp đặt hệ thống cảm biến đo lưu lượng, mực nước tại các cống chính để cung cấp dữ liệu thời gian thực cho phần mềm và nhân viên vận hành. Thời gian triển khai trong 2 năm.

  4. Nâng cấp, bảo trì công trình và xử lý xói lở hiện hữu: Tiến hành sửa chữa, gia cố các vị trí xói lở nghiêm trọng bằng biện pháp thả rọ đá, kè bờ kênh, đồng thời cải tạo lòng dẫn để tăng khả năng kháng xói. Chủ thể là công ty quản lý và các đơn vị thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý thủy lợi và nông nghiệp: Giúp nâng cao hiệu quả quản lý vận hành hệ thống thủy lợi, giảm thiểu thiệt hại do xói lở, đảm bảo an toàn công trình và nguồn nước phục vụ sản xuất nông nghiệp.

  2. Các đơn vị vận hành công trình thủy lợi: Cung cấp công cụ và kiến thức vận hành cống dựa trên dữ liệu khoa học, tránh vận hành theo kinh nghiệm gây hại công trình.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành thủy lợi, thủy văn: Là tài liệu tham khảo về mô hình thủy lực, phương pháp tính toán lưu lượng, vận tốc dòng chảy và ứng dụng phần mềm trong quản lý công trình thủy lợi.

  4. Các nhà hoạch định chính sách phát triển nông thôn và tài nguyên nước: Hỗ trợ xây dựng chính sách vận hành, bảo trì và đầu tư phát triển hệ thống thủy lợi bền vững, góp phần phát triển kinh tế - xã hội vùng đồng bằng Bắc Bộ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao xói lở hạ lưu công trình thủy lợi lại nghiêm trọng?
    Xói lở hạ lưu xảy ra do lưu tốc dòng chảy vượt quá vận tốc khởi động xói cho phép, gây phá hủy lòng dẫn ngay sau công trình. Việc vận hành mở cống không kiểm soát lưu lượng chính xác làm tăng nguy cơ này.

  2. Phần mềm tính toán độ mở cống hoạt động như thế nào?
    Phần mềm sử dụng dữ liệu mực nước thượng lưu, hạ lưu và các thông số công trình để tính toán lưu lượng và vận tốc dòng chảy, từ đó xác định độ mở cống an toàn không gây xói lở, hỗ trợ vận hành chính xác.

  3. Làm thế nào để giảm thiểu xói lở trong vận hành hệ thống thủy lợi?
    Cần vận hành cống theo quy trình dựa trên dữ liệu đo đạc thực tế, sử dụng phần mềm tính toán độ mở cống hợp lý, đồng thời bảo trì, gia cố các vị trí xói lở hiện hữu.

  4. Nguyên nhân nào khác ngoài vận hành gây xói lở?
    Ngoài vận hành, yếu tố công trình như hình dạng, kích thước cửa van, địa chất lòng dẫn, và các yếu tố thủy lực như co hẹp lòng dẫn, áp lực mạch động cũng ảnh hưởng đến xói lở.

  5. Phần mềm có thể áp dụng cho các hệ thống thủy lợi khác không?
    Phần mềm được thiết kế dựa trên các nguyên lý thủy lực phổ biến, có thể điều chỉnh tham số để áp dụng cho các hệ thống thủy lợi tương tự, tuy nhiên cần hiệu chỉnh phù hợp với đặc điểm địa phương.

Kết luận

  • Hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải có quy mô lớn với nhiều công trình cống chính, đang đối mặt với hiện tượng xói lở hạ lưu nghiêm trọng do vận hành mở cống không hợp lý.
  • Nghiên cứu đã xây dựng cơ sở lý thuyết và mô hình thủy lực tính toán lưu lượng, vận tốc dòng chảy qua cống, xác định vận tốc khởi động xói phù hợp với đặc điểm đất phù sa vùng đồng bằng Bắc Bộ.
  • Phần mềm tính toán độ mở cống hợp lý được phát triển, giúp vận hành cống an toàn, giảm thiểu xói lở và tăng tuổi thọ công trình.
  • Đề xuất áp dụng phần mềm trong vận hành thực tế, xây dựng quy trình vận hành dựa trên dữ liệu, tăng cường giám sát và bảo trì công trình.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai phần mềm, đào tạo nhân viên, nâng cấp hệ thống đo đạc và tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các hệ thống thủy lợi khác.

Kêu gọi hành động: Các đơn vị quản lý và vận hành hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải cần nhanh chóng áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả quản lý, bảo vệ công trình và phát triển bền vững vùng đồng bằng Bắc Bộ.