Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Cái - Phan Rang có tổng diện tích tự nhiên 3.043 km², trong đó địa phận tỉnh Ninh Thuận chiếm 81,8% tương đương 2.488 km², sở hữu tổng lượng dòng chảy mặt bình quân đạt 2,369 tỷ m³/năm (bao gồm 0,537 tỷ m³ nước chuyển về từ nhà máy thủy điện Đa Nhim). Mặc dù có tiềm năng phát triển kinh tế biển và nông - lâm - ngư nghiệp, khu vực này lại chịu tác động của chế độ khí hậu khắc nghiệt bậc nhất Việt Nam với lượng mưa hạ lưu chỉ từ 712 mm đến 730 mm/năm, trong khi lượng bốc hơi mặt thoáng lên tới 1.788 mm/năm. Thực trạng hệ thống công trình thủy lợi hiện hữu mới chỉ đáp ứng được khoảng 33% nhu cầu nước thực tế cho 49.806 ha đất canh tác nông nghiệp, dẫn đến tình trạng thiếu nước nghiêm trọng trong mùa khô.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá toàn diện hiện trạng khai thác, tính toán cân bằng cung - cầu nguồn nước mặt giữa các ngành kinh tế xã hội và đề xuất các giải pháp công trình, phi công trình nhằm khai thác tổng hợp, bền vững nguồn nước lưu vực sông Cái - Phan Rang. Phạm vi không gian nghiên cứu bao trùm toàn bộ lưu vực 3.043 km² tại Ninh Thuận và các vùng phụ cận thuộc Lâm Đồng, Khánh Hòa, Bình Thuận; phạm vi thời gian dựa trên chuỗi quan trắc khí tượng thủy văn nhiều năm và định hướng quy hoạch đến năm 2020.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là cung cấp luận cứ khoa học để hoàn thiện quy hoạch thủy lợi, phục vụ mục tiêu tái cơ cấu kinh tế địa phương: nâng tỷ trọng công nghiệp - xây dựng lên 35-40%, dịch vụ lên 35-40%, giảm tỷ trọng nông nghiệp xuống 20-30% vào năm 2020, đồng thời đảm bảo an ninh nguồn nước sinh hoạt cho hơn 640.580 người dân.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết Quản lý tổng hợp tài nguyên nước (IWRM) trên quy mô lưu vực sông và nguyên lý cân bằng nước hệ thống theo định luật bảo toàn vật chất. Để lượng hóa dòng chảy phức tạp, đề tài ứng dụng mô hình toán thủy văn mô phỏng dòng chảy mưa rào (MIKE NAM) kết hợp mô hình phân bổ và cân bằng tài nguyên nước lưu vực (MIKE BASIN) do Viện Thủy động lực học Đan Mạch phát triển.

Khung lý thuyết vận dụng các khái niệm chuyên ngành then chốt bao gồm:

  • Dòng chảy năm và mô đun dòng chảy mùa kiệt (dao động từ 7 l/s/km² đến 18 l/s/km²).
  • Tần suất cấp nước thiết kế (quy chuẩn P = 75% cho tưới nông nghiệp và P = 95% cho cấp nước sinh hoạt, đô thị, công nghiệp).
  • Dòng chảy môi trường sinh thái hạ lưu và lượng nước hồi quy nông nghiệp (chiếm từ 15% đến 20% lượng nước cấp).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thứ cấp gồm chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn liên tục trên 30 năm tại các trạm đại diện: trạm Phan Rang, Tân Mỹ, Nha Hồ, Sông Pha, cùng số liệu đo đạc thực tế lưu lượng tại đập Nha Trinh và trạm Sông Lũy.

Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu được thiết lập dựa trên nguyên tắc phân vùng sinh thái và địa hình:

  • Trạm Tân Mỹ được lựa chọn làm đại diện cho tiểu vùng đồi núi và trung du (chiếm 80% diện tích tự nhiên, cao độ từ 30 m đến trên 1.000 m).
  • Trạm Phan Rang đại diện cho tiểu vùng đồng bằng châu thổ ven biển (chiếm 20% diện tích, cao độ từ 2 m đến 20 m).
  • Toàn bộ lưu vực được số hóa mô hình độ cao số DEM và sơ đồ hóa thành 32 tiểu lưu vực cùng hệ thống nút tính toán cân bằng nước.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô hình MIKE NAM và MIKE BASIN tích hợp công nghệ GIS xuất phát từ đặc thù sông Cái không có trạm đo lưu lượng liên tục trên dòng chính, đồng thời phải tiếp nhận lượng nước chuyển dòng 16,7 m³/s từ thủy điện Đa Nhim. Phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác quan hệ mưa - dòng chảy và tính toán linh hoạt khả năng cấp nước của từng công trình đập dâng, hồ chứa trong các kịch bản phát triển kinh tế giai đoạn 2011-2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu chỉ ra sự phân bố dòng chảy mặt theo thời gian cực kỳ bất đối xứng. Mùa lũ kéo dài từ tháng 7 đến tháng 11 chiếm từ 68% đến 80% tổng lượng dòng chảy năm với mô đun dòng chảy đạt 43 l/s/km². Ngược lại, mùa cạn kéo dài 7 tháng (từ tháng 12 đến tháng 6 năm sau) chỉ chiếm 32% tổng lượng nước, mô đun dòng chảy kiệt giảm mạnh xuống 7 - 18 l/s/km², tạo ra sự thiếu hụt cục bộ nghiêm trọng.

Thứ hai, hiệu quả phục vụ của hệ thống công trình thủy lợi hiện hữu còn rất thấp so với năng lực thiết kế và nhu cầu thực tế. Toàn lưu vực có tổng diện tích tưới thiết kế là 25.229 ha (gồm 6 hồ chứa thiết kế 7.145 ha và 16 đập dâng thiết kế 17.584 ha), chỉ đáp ứng 50,6% nhu cầu canh tác 49.806 ha. Đáng chú ý, diện tích thực tế được tưới chỉ đạt 16.573 ha (đạt 65,7% công suất thiết kế và 33,3% nhu cầu thực tế). Riêng hệ thống hồ chứa chỉ mới tưới thực tế được 1.685 ha, đạt 23,6% so với năng lực thiết kế.

Thứ ba, nguồn nước xả từ nhà máy thủy điện Đa Nhim giữ vai trò quyết định đối với an ninh nguồn nước vùng hạ du. Lượng nước xả trung bình đạt 16,7 m³/s (mùa kiệt đạt 12,5 m³/s), bổ sung tới 0,537 tỷ m³/năm, chiếm 22,7% tổng lượng nước mặt toàn lưu vực (2,369 tỷ m³/năm). Nếu không có nguồn chuyển nước này, hệ thống đập Nha Trinh - Lâm Cấm không thể duy trì tưới ổn định cho hơn 11.515 ha đất sản xuất.

Thứ tư, thiên tai hạn hán và ngập lụt diễn biến khốc liệt với tần suất gia tăng. Đợt hạn hán lịch sử năm 2006 làm sụt giảm gần 5.000 ha diện tích gieo trồng vụ Đông Xuân và Hè Thu, khiến 150.000 người thiếu nước sinh hoạt và 230.000 gia súc bị thiếu nước uống. Ngược lại, các trận lũ lớn như năm 2003 đã làm ngập lụt 15.591 ha đất nông nghiệp, làm hư hỏng 50 công trình thủy lợi và gây thiệt hại kinh tế hơn 191 tỷ đồng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự chênh lệch lớn giữa thiết kế và thực tế tưới bắt nguồn từ sự thiếu đồng bộ của hệ thống kênh mương cấp dưới và tình trạng bồi lắng sau 20-30 năm vận hành. Địa hình lưu vực có độ dốc sườn núi lớn khiến nước lũ tập trung nhanh rồi đổ ra biển Đông, trong khi hệ thống hồ chứa chưa đủ dung tích để trữ nước điều tiết sang mùa khô.

So với các nghiên cứu quy hoạch lưu vực sông Đồng Nai giai đoạn 1994-1996 do JICA tài trợ, kết quả của luận văn đã cập nhật đầy đủ sự thay đổi cơ cấu kinh tế: diện tích cây lâu năm tăng lên 12.650 ha, cây ăn quả đạt 4.650 ha và nhu cầu nước cấp cho công nghiệp tăng lên 20.000.000 m³/năm vào năm 2020.

Về mặt trực quan hóa, toàn bộ diễn biến dòng chảy và mức độ thiếu hụt nước tại các nút mạng lưới được thể hiện tối ưu qua biểu đồ đường phân phối lưu lượng tháng tương ứng các tần suất thiết kế 50%, 75%, 95% và bảng ma trận cân bằng nước nút mô hình MIKE BASIN. Điều này giúp các nhà quản lý dễ dàng nhận diện các điểm nghẽn thiếu nước nghiêm trọng tại khu vực hạ lưu sông Quao và sông Lu.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Hoàn thiện và xây mới các cụm công trình hồ chứa trọng điểm: Tập trung nguồn lực hoàn thành dứt điểm hồ Sông Sắt (năng lực cấp nước tưới 3.510 ha), hồ Bầu Ngét (160 ha) và lập dự án hồ Sông Trâu trước năm 2015; do Ủy ban Nhân dân tỉnh Ninh Thuận phối hợp với Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn làm chủ đầu tư, nhằm nâng tổng diện tích tưới chủ động của hồ chứa lên trên 15.000 ha.
  • Hiện đại hóa hệ thống dẫn nước và nâng cấp trạm bơm: Tiến hành tu bổ, nạo vét 10 trạm bơm lấy nước từ kênh Bắc và kênh Nam thuộc hệ thống Nha Trinh - Lâm Cấm (phấn đấu đưa diện tích thực tưới từ 840 ha lên đúng công suất thiết kế 1.480 ha); mở rộng mặt cắt tiêu thoát lũ của trục sông Lu 1 (dài 5.240 m) và sông Lu 2 (dài 11.200 m) trước năm 2018 do Công ty Khai thác Công trình Thủy lợi chủ trì.
  • Chuyển đổi cơ cấu cây trồng và áp dụng kỹ thuật tưới tiết kiệm: Chuyển dịch 3.272 ha đất lúa bấp bênh sang trồng ngô, rau màu và cây ăn quả giá trị cao; áp dụng công nghệ tưới phun mưa, tưới nhỏ giọt nhằm giảm từ 20% đến 30% định mức dùng nước trên một hecta; triển khai đồng bộ trong giai đoạn 2012-2020 dưới sự hướng dẫn của Trung tâm Khuyến nông địa phương.
  • Ban hành quy chế phối hợp vận hành liên hồ chứa và kiểm soát nguồn nước: Thiết lập cơ chế giám sát lưu lượng xả liên tỉnh từ thủy điện Đa Nhim đảm bảo duy trì dòng chảy tối thiểu mùa cạn không dưới 12,5 m³/s; đồng thời kiểm soát 100% nước thải công nghiệp và đô thị đạt tiêu chuẩn trước khi xả ra lưu vực sông Cái; do Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cùng Bộ Tài nguyên và Môi trường thực hiện từ năm 2013.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách: Lãnh đạo và chuyên viên tại Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Ninh Thuận sử dụng số liệu cân bằng nước làm căn cứ điều chỉnh quy hoạch tài nguyên nước và phê duyệt danh mục đầu tư công trình thủy lợi đến năm 2020.
  • Doanh nghiệp quản lý và khai thác công trình thủy lợi: Đội ngũ kỹ sư tại Công ty Khai thác Công trình Thủy lợi Ninh Thuận ứng dụng các thông số cân bằng nút để xây dựng quy trình vận hành điều tiết các đập dâng Nha Trinh, Sông Ông và hệ thống 10 trạm bơm nội đồng.
  • Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên cao học: Các viện nghiên cứu thủy lợi, trường đại học chuyên ngành Kỹ thuật Tài nguyên nước, Thủy văn học sử dụng tài liệu như một nghiên cứu điển hình về quy trình ứng dụng mô hình MIKE NAM, MIKE BASIN và GIS trong điều kiện lưu vực thiếu trạm đo dòng chảy.
  • Doanh nghiệp nông nghiệp công nghệ cao và phát triển hạ tầng công nghiệp: Các nhà đầu tư trang trại quy mô lớn tham khảo dữ liệu phân vùng khí hậu và nguồn nước mặt để lựa chọn địa điểm đầu tư, bố trí lịch mùa vụ và thiết kế dung tích bể chứa nước sản xuất phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

Đặc điểm tự nhiên nào của lưu vực sông Cái - Phan Rang gây trở ngại lớn nhất cho việc cấp nước?

Trở ngại lớn nhất là sự tương phản sâu sắc giữa mùa mưa và mùa khô kết hợp địa hình đồi núi dốc chiếm 60% diện tích. Lượng bốc hơi mặt thoáng lên đến 1.788 mm/năm trong khi lượng mưa hạ lưu chỉ đạt 712 - 730 mm/năm khiến nguồn nước mặt mùa khô bị suy kiệt nghiêm trọng, gây hạn hán kéo dài liên tục từ 7 đến 8 tháng.

Nguồn nước từ nhà máy thủy điện Đa Nhim có tầm quan trọng như thế nào đối với lưu vực?

Nguồn nước xả từ thủy điện Đa Nhim bổ sung trung bình 16,7 m³/s và đạt 12,5 m³/s trong mùa kiệt, tương đương 0,537 tỷ m³/năm, chiếm gần 23% tổng nguồn nước mặt toàn lưu vực. Đây là nguồn cấp nước sống còn giúp hệ thống đập Nha Trinh - Lâm Cấm duy trì ổn định sản xuất từ 2 đến 3 vụ lúa cho hơn 11.500 ha.

Tại sao hiệu quả tưới thực tế của các công trình hồ chứa trên lưu vực chỉ đạt dưới 25% thiết kế?

Nguyên nhân do 6 hồ chứa hiện có quy mô nhỏ lẻ, thiếu hệ thống kênh mương cấp 2 và cấp 3 đồng bộ, cùng với hiện tượng bồi lắng lòng hồ sau nhiều năm khai thác. Điển hình như hồ Suối Lớn hay hồ CK7 có diện tích thực tưới chỉ đạt từ 35 ha đến 110 ha, thấp hơn nhiều so với thiết kế ban đầu.

Luận văn đã sử dụng phương pháp nào để tính toán dòng chảy khi lưu vực thiếu trạm đo lưu lượng?

Tác giả đã ứng dụng mô hình toán thủy văn MIKE NAM để thiết lập mối quan hệ mưa - dòng chảy từ chuỗi số liệu mưa hơn 30 năm, tham khảo tài liệu dòng chảy trạm tương tự Sông Lũy và số liệu thực đo tại đập Nha Trinh, sau đó phân phối lưu lượng vào mô hình MIKE BASIN để tính toán cân bằng nước cho từng tiểu lưu vực.

Giải pháp nào được đánh giá là đột phá nhất để giải quyết dứt điểm tình trạng thiếu nước nông nghiệp?

Giải pháp đột phá là kết hợp giải pháp công trình đẩy nhanh xây dựng các hồ chứa lớn như Sông Sắt, Sông Trâu để chủ động tích trữ nước lũ, đi đôi với giải pháp phi công trình chuyển đổi 3.272 ha đất lúa sang cây cạn ít dùng nước và áp dụng công nghệ tưới phun mưa, nhỏ giọt tiết kiệm 20-30% lượng nước.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện đặc điểm khí tượng thủy văn và lượng hóa tổng nguồn nước mặt lưu vực sông Cái - Phan Rang đạt 2,369 tỷ m³/năm với sự phân bổ không đều giữa mùa lũ (chiếm 68-80%) và mùa kiệt (chiếm 32%).
  • Đánh giá thực trạng 22 công trình thủy lợi cho thấy hiệu quả cấp nước thực tế mới đạt 16.573 ha, chỉ đáp ứng được 33% nhu cầu nước canh tác của 49.806 ha đất nông nghiệp toàn tỉnh.
  • Xây dựng thành công chuỗi mô hình tích hợp MIKE NAM - MIKE BASIN trên nền bản đồ số DEM và GIS để tính toán chi tiết cân bằng nước tại 32 nút hệ thống theo các cấp tần suất P = 50%, 75%, 95%.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp công trình trọng điểm gồm hoàn thành các hồ chứa Sông Sắt, Bầu Ngét, Sông Trâu và nâng cấp 10 trạm bơm cùng các trục tiêu thoát lũ sông Lu 1, sông Lu 2.
  • Kiến nghị gói giải pháp phi công trình mang tính chiến lược về chuyển đổi 3.272 ha cây trồng tiết kiệm nước và ban hành quy chế duy trì dòng chảy xả tối thiểu 12,5 m³/s từ thủy điện Đa Nhim.

Đóng góp khoa học lớn nhất của công trình là cung cấp bức tranh định lượng chuẩn xác về cân bằng tài nguyên nước mặt, tạo tiền đề vững chắc cho việc thực hiện Chiến lược phát triển thủy lợi Ninh Thuận đến năm 2020. Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 2012 đến 2015, các đơn vị quản lý cần khẩn trương đưa các hồ chứa mới vào vận hành, tiến tới hoàn thiện hệ thống quan trắc tự động trên toàn lưu vực trước năm 2020. Quý độc giả, nhà khoa học và các cơ quan hữu quan quan tâm có thể tra cứu toàn văn luận văn để khai thác chi tiết các thông số thủy văn và quy trình thiết lập mô hình tính toán.