Tổng quan nghiên cứu

Hà Nam và Nam Định là hai tỉnh thuộc vùng đồng chiêm trũng Bắc Bộ, với tổng diện tích tự nhiên khoảng 85.326 ha, nằm trong lưu vực hệ thống thủy nông Bắc Nam Hà. Vùng này đặc trưng bởi địa hình phức tạp, cao thấp xen kẽ, nhiều khu lòng chảo, cùng khí hậu điển hình của đồng bằng Bắc Bộ với hai mùa mưa và khô rõ rệt. Lượng mưa trung bình hàng năm dao động từ 1.500 đến 1.800 mm, tập trung chủ yếu vào các tháng mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10, trong đó tháng 7, 8, 9 chiếm hơn 60% tổng lượng mưa. Do đặc điểm địa hình và khí hậu, khu vực thường xuyên xảy ra ngập úng trong mùa mưa, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp và đời sống dân cư.

Hệ thống thủy lợi Bắc Nam Hà được xây dựng từ những năm 1970 với 6 trạm bơm điện lớn và mạng lưới kênh mương tưới tiêu rộng khắp, phục vụ tưới cho khoảng 47.000 ha vụ chiêm xuân, 46.500 ha vụ mùa và 13.000 ha vụ đông, đồng thời tiêu thoát nước cho toàn bộ diện tích 85.326 ha. Tuy nhiên, sau hơn 40 năm khai thác, các công trình đầu mối, kênh mương và thiết bị máy móc đã xuống cấp nghiêm trọng, hiệu suất bơm chỉ đạt khoảng 70-75% năng lực thiết kế, nhiều kênh tiêu bị bồi lắng làm giảm khả năng tiêu thoát nước, dẫn đến tình trạng ngập úng vẫn diễn ra hàng năm.

Mục tiêu nghiên cứu là tìm ra các phương án vận hành tối ưu các công trình điều tiết trên các trục tiêu chính của hệ thống trạm bơm tiêu, nhằm giảm thiểu diện tích ngập úng và tăng diện tích vùng tiêu hiệu quả. Nghiên cứu tập trung vào việc đồng bộ đóng mở các cổng điều tiết để tối ưu hóa lưu lượng nước tiêu thoát, nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống thủy lợi trong điều kiện hiện tại. Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ hệ thống thủy lợi Bắc Nam Hà, với dữ liệu thu thập từ các trạm bơm, kênh tiêu, số liệu thủy văn và địa hình trong khoảng thời gian nhiều năm, đặc biệt tập trung vào các mùa mưa gần đây.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy lực hiện đại, trong đó trọng tâm là hệ phương trình Saint-Venant một chiều mô tả dòng chảy trong sông và kênh tiêu. Hệ phương trình gồm phương trình liên tục và phương trình động lực, được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn, cho phép mô phỏng chính xác diễn biến mực nước và lưu lượng trong hệ thống thủy lợi.

Mô hình VRSAP (Vietnam River System and Plan) được sử dụng làm công cụ chính để tính toán thủy lực và mô phỏng vận hành hệ thống. Mô hình này đã được cải biên phù hợp với đặc điểm lưu vực Bắc Nam Hà, bao gồm các thành phần: mô phỏng hoạt động trạm bơm đầu mối, mô phỏng hoạt động các công trình điều tiết trên kênh, mô phỏng chuyển động nước trên các trục tiêu chính và mô hình tiêu úng nội đồng. Các khái niệm chính bao gồm: trục tiêu chính, phân khu tiêu, ô tiêu, công trình điều tiết (cổng, đập), và hệ số tiêu thoát.

Ngoài ra, nghiên cứu còn tham khảo các mô hình thủy lực thương mại và học thuật khác như MIKE 11, ISIS, EFDC, SOBEK, SAL nhằm so sánh và đánh giá ưu nhược điểm, từ đó lựa chọn mô hình phù hợp nhất với điều kiện nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thủy văn (lượng mưa, mực nước, lưu lượng), địa hình (cao độ ruộng đất, phân bố địa hình), hiện trạng công trình thủy lợi (trạm bơm, kênh mương, công trình điều tiết), và số liệu vận hành thực tế của hệ thống. Dữ liệu được thu thập từ các trạm khí tượng, trạm bơm, các báo cáo kỹ thuật và khảo sát thực địa.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình VRSAP cải biên, kết hợp với các phần mềm hỗ trợ GIS để xây dựng cơ sở dữ liệu không gian và mô hình mạng kênh sông. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ hệ thống 6 trạm bơm lớn và các trạm bơm nhỏ nội đồng, với tổng diện tích phục vụ khoảng 85.326 ha.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo các bước: thu thập và xử lý dữ liệu; phân tích hiện trạng hệ thống; xây dựng mô hình thủy lực; kiểm định mô hình bằng số liệu thực tế mùa mưa năm 1994; mô phỏng các phương án vận hành đóng mở cổng điều tiết; đánh giá hiệu quả qua các chỉ tiêu diện tích ngập, lưu lượng tiêu thoát và hiệu suất bơm. Timeline nghiên cứu kéo dài trong nhiều năm, tập trung vào các mùa mưa để đảm bảo tính thực tiễn và độ chính xác của mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng công trình thủy lợi xuống cấp nghiêm trọng: Các trạm bơm lớn có tổng lưu lượng thiết kế 246,83 m³/s nhưng thực tế chỉ đạt khoảng 70-75% năng lực, tương đương khoảng 175-185 m³/s. Hệ thống kênh tiêu chính bị bồi lắng, cao trình đáy kênh hiện tại cao hơn thiết kế từ 0,8 đến 1,0 m, gây cản trở dòng chảy và làm giảm hiệu quả tiêu thoát nước.

  2. Phân khu tiêu và ô tiêu được xác định rõ ràng: Hệ thống được chia thành 6 khu tiêu liên hoàn và một số khu tiêu độc lập, với tổng số 64 ô tiêu. Việc phân khu tiêu giúp xác định chính xác phạm vi ngập úng và mức độ ảnh hưởng của từng khu vực, hỗ trợ trong việc vận hành điều tiết nước hiệu quả.

  3. Mô hình VRSAP được kiểm định thành công: So sánh kết quả mô phỏng mực nước tại các điểm như Như Trác và Cầu Sắt cho thấy sự tương đồng cao với số liệu thực đo, chứng tỏ mô hình có độ tin cậy cao. Ví dụ, biểu đồ mực nước mô phỏng và thực đo tại Như Trác có sự trùng khớp rõ rệt trong suốt thời gian tính toán.

  4. Phương án vận hành đồng bộ đóng mở cổng điều tiết giảm diện tích ngập: Qua 64 tổ hợp đóng mở cổng điều tiết, diện tích ngập tại các khu tiêu được giảm đáng kể, từ mức ngập trên 5.000 ha xuống còn khoảng 1.000-3.000 ha tùy từng phương án. Ví dụ, tổ hợp đồng mở cổng số 18 cho diện tích ngập nhỏ nhất tại khu tiêu Như Trác, giảm hơn 50% so với phương án không điều tiết phối hợp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ngập úng kéo dài là do sự xuống cấp của các công trình đầu mối và kênh tiêu, làm giảm hiệu suất bơm và khả năng tiêu thoát nước. Việc bồi lắng kênh tiêu làm tăng cao trình đáy, gây cản trở dòng chảy, đặc biệt ở các vùng trũng và xa trạm bơm. Kết quả mô hình cho thấy việc vận hành đồng bộ các cổng điều tiết trên các trục tiêu chính có thể tối ưu hóa lưu lượng nước tiêu thoát, giảm diện tích ngập và nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, mô hình VRSAP cải biên phù hợp với điều kiện đặc thù của lưu vực Bắc Nam Hà, cho phép mô phỏng chi tiết các yếu tố thủy lực và vận hành công trình. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ các cơ quan quản lý xây dựng kế hoạch vận hành khoa học, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên nước và phát triển bền vững vùng đồng chiêm trũng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ mực nước, biểu đồ diện tích ngập theo thời gian và bảng tổng hợp lưu lượng bơm thực tế so với thiết kế, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả các phương án vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp, sửa chữa công trình đầu mối và kênh tiêu: Thực hiện nạo vét kênh tiêu chính để hạ thấp cao trình đáy kênh từ 0,8 đến 1,0 m, khôi phục lưu lượng dòng chảy. Thay thế, sửa chữa thiết bị máy móc tại các trạm bơm để nâng cao hiệu suất bơm lên ít nhất 90% năng lực thiết kế. Thời gian thực hiện trong vòng 2-3 năm, do Công ty Khai thác Công trình Thủy lợi Bắc Nam Hà chủ trì.

  2. Xây dựng hệ thống điều khiển vận hành đồng bộ các cổng điều tiết: Áp dụng các phương án đóng mở phối hợp các cổng điều tiết trên các trục tiêu chính theo mô hình VRSAP để giảm diện tích ngập. Triển khai hệ thống giám sát và điều khiển tự động trong vòng 1-2 năm, phối hợp giữa các đơn vị quản lý thủy lợi và chính quyền địa phương.

  3. Phân vùng quản lý và vận hành theo phân khu tiêu: Tổ chức lại hệ thống quản lý vận hành theo các phân khu tiêu đã xác định, đảm bảo vận hành linh hoạt, phù hợp với đặc điểm địa hình và lưu lượng nước từng khu vực. Thực hiện trong vòng 1 năm, với sự phối hợp của các đơn vị quản lý thủy lợi và chính quyền địa phương.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực cán bộ vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về vận hành mô hình thủy lực, sử dụng phần mềm VRSAP và các công cụ hỗ trợ cho cán bộ quản lý và vận hành hệ thống thủy lợi. Thời gian đào tạo liên tục hàng năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý thủy lợi và tài nguyên nước: Giúp xây dựng kế hoạch vận hành hệ thống thủy lợi hiệu quả, nâng cao khả năng tiêu thoát nước, giảm thiểu ngập úng và tổ chức quản lý phân vùng vận hành phù hợp.

  2. Các nhà quy hoạch và thiết kế công trình thủy lợi: Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực tiễn để thiết kế, nâng cấp và mở rộng hệ thống thủy lợi, đảm bảo tính bền vững và hiệu quả kinh tế.

  3. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành thủy lợi, môi trường: Là tài liệu tham khảo về mô hình thủy lực, phương pháp phân tích và vận hành hệ thống thủy lợi trong điều kiện đồng bằng chiêm trũng, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

  4. Chính quyền địa phương và các tổ chức phát triển nông nghiệp: Hỗ trợ trong việc lập kế hoạch sản xuất nông nghiệp phù hợp với điều kiện thủy văn, giảm thiểu rủi ro do ngập úng, nâng cao năng suất và hiệu quả kinh tế vùng đồng chiêm trũng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao hệ thống thủy lợi Bắc Nam Hà thường xuyên bị ngập úng dù đã có trạm bơm lớn?
    Do các công trình đầu mối và kênh tiêu đã xuống cấp sau hơn 40 năm sử dụng, hiệu suất bơm giảm còn khoảng 70-75%, kênh tiêu bị bồi lắng làm giảm khả năng tiêu thoát nước, dẫn đến ngập úng kéo dài.

  2. Mô hình VRSAP có ưu điểm gì so với các mô hình thủy lực khác?
    VRSAP có mã nguồn mở, dễ dàng cải biên, phù hợp với điều kiện đặc thù của lưu vực Việt Nam, cho phép mô phỏng chi tiết các yếu tố thủy lực và vận hành công trình, đồng thời tích hợp tốt với dữ liệu GIS.

  3. Phân khu tiêu và ô tiêu có vai trò như thế nào trong quản lý hệ thống thủy lợi?
    Phân khu tiêu và ô tiêu giúp xác định rõ ràng phạm vi và mức độ ngập úng, hỗ trợ quản lý vận hành linh hoạt, tối ưu hóa việc đóng mở cổng điều tiết và phân bổ nguồn nước hợp lý.

  4. Các phương án vận hành đồng bộ cổng điều tiết có thể giảm diện tích ngập bao nhiêu?
    Theo mô hình tính toán, các phương án đồng bộ có thể giảm diện tích ngập từ mức trên 5.000 ha xuống còn khoảng 1.000-3.000 ha, tùy thuộc vào tổ hợp đóng mở cổng cụ thể.

  5. Làm thế nào để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống thủy lợi trong tương lai?
    Cần kết hợp nâng cấp công trình, áp dụng công nghệ điều khiển tự động, đào tạo cán bộ vận hành, và xây dựng kế hoạch vận hành dựa trên mô hình thủy lực chính xác, đồng thời tăng cường quản lý phân vùng vận hành theo phân khu tiêu.

Kết luận

  • Hệ thống thủy lợi Bắc Nam Hà có vai trò quan trọng trong tưới tiêu và tiêu thoát nước cho hơn 85.000 ha đất nông nghiệp, nhưng hiện trạng công trình xuống cấp nghiêm trọng làm giảm hiệu quả vận hành.
  • Mô hình thủy lực VRSAP cải biên đã được kiểm định thành công, cho phép mô phỏng chính xác diễn biến mực nước và diện tích ngập trong hệ thống.
  • Phân khu tiêu và ô tiêu được xác định rõ ràng, hỗ trợ quản lý vận hành linh hoạt và tối ưu hóa đóng mở cổng điều tiết.
  • Các phương án vận hành đồng bộ cổng điều tiết giúp giảm diện tích ngập đáng kể, nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống thủy lợi.
  • Đề xuất nâng cấp công trình, xây dựng hệ thống điều khiển tự động và đào tạo cán bộ vận hành là các bước tiếp theo cần thực hiện trong vòng 1-3 năm để phát huy tối đa hiệu quả hệ thống.

Call-to-action: Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời tiếp tục cập nhật và hoàn thiện mô hình vận hành để đảm bảo phát triển bền vững vùng đồng chiêm trũng Bắc Bộ.