Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Bắc Đuống thuộc huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội là vùng trọng điểm phát triển kinh tế ven đô với tổng diện tích lưu vực tiêu tự nhiên khoảng 2.500 ha. Khu vực này chịu ảnh hưởng trực tiếp từ chế độ khí hậu nhiệt đới gió mùa với lượng mưa trung bình năm đạt 1.716,6 mm, trong đó lượng mưa trong mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 9 chiếm từ 70% đến 85% tổng lượng mưa cả năm. Địa hình lòng chảo tương đối bằng phẳng với cao trình biến thiên từ +4,5 m đến +6,5 m khiến toàn bộ nước mặt nội đồng bắt buộc phải tiêu động lực qua hệ thống 3 trạm bơm gồm Dương Hà, Phù Đổng và Thịnh Liên để xả ra sông Đuống.

Vấn đề nghiên cứu cốt lõi phát sinh từ tốc độ đô thị hóa nhanh chóng trên địa bàn huyện Gia Lâm. Việc chuyển đổi hàng loạt diện tích đất nông nghiệp sang đất công nghiệp và khu đô thị, tiêu biểu như Cụm công nghiệp Ninh Hiệp quy mô 63,6 ha, dự án Nhà máy nước mặt sông Đuống 61,5 ha và Khu đô thị Gia Lâm 420 ha với dân số khoảng 89.000 người, đã làm suy giảm nghiêm trọng diện tích thấm tự nhiên và các hồ chứa điều hòa tạm thời. Đồng thời, tác động của biến đổi khí hậu theo kịch bản RCP4.5 làm gia tăng tần suất các trận mưa cực đoan có cường độ trên 100 mm/ngày.

Trong khi nhu cầu tiêu thoát tăng vọt, các công trình đầu mối hiện hữu lại xuống cấp nghiêm trọng. Trạm bơm Phù Đổng xây dựng từ năm 1974 gồm 25 máy bơm loại 12LTX40 sau 39 năm khai thác chỉ còn đạt 50% đến 60% lưu lượng thiết kế; trạm bơm Thịnh Liên xây dựng năm 1994 gồm 9 tổ máy trục đứng HTD2300 công suất 75 kW/máy và trạm bơm Dương Hà gồm 28 tổ máy trục ngang HL980-9 công suất 33 kW/máy đều đối mặt với tình trạng bồi lắng bể hút và rò rỉ cơ khí.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu, tính toán thủy văn - thủy lực nhằm đề xuất quy trình vận hành tối ưu cho cụm 3 trạm bơm trong giai đoạn 2019–2030. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm thiểu trên 30% nguy cơ thiệt hại nông nghiệp do ngập úng kéo dài, đồng thời cắt giảm từ 15% đến 22% chi phí điện năng tiêu thụ trong mùa mưa lũ cho các đơn vị quản lý khai thác thủy nông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết dòng chảy không ổn định trong hệ thống kênh hở dựa trên hệ phương trình vi phân Saint-Venant một chiều, kết hợp lý thuyết cân bằng nước mặt ruộng và nguyên lý tiêu nước trọng lực - động lực vùng châu thổ sông Hồng. Khung lý thuyết này phân tích mối quan hệ tương hỗ giữa lượng mưa thực tế, hệ số thấm mặt phủ, dung tích trữ của mạng lưới sông hồ và công suất xả lũ của các tổ máy bơm đầu mối.

Mô hình nghiên cứu tích hợp phương pháp thủy văn đô thị để xác định hệ số dòng chảy mặt khi cơ cấu sử dụng đất thay đổi từ đất nông nghiệp sang đất phi nông nghiệp bê tông hóa. Bốn khái niệm chuyên ngành then chốt được chuẩn hóa bao gồm: hệ số tiêu thiết kế mặt ruộng (đơn vị l/s/ha), dung tích điều tiết trữ chậm của mạng lưới kênh trục, đường đặc tính công tác của trạm bơm trục đứng/trục ngang, và chi phí biên điện năng vận hành theo chu kỳ giờ cao điểm - thấp điểm của biểu giá điện lực quốc gia. Các tiêu chuẩn quy phạm được áp dụng đồng bộ bao gồm Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia công trình thủy lợi QCVN 04-05:2012/BNNPTNT và Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam năm 2016 do Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu đa tầng thu thập trong giai đoạn 1967–2018. Chuỗi số liệu khí tượng quan trắc lượng mưa ngày, nhiệt độ, bốc thoát hơi (bình quân 972,3 mm/năm) và độ ẩm (trung bình 82%) tại trạm Hà Nội được xử lý thống kê theo đường tần suất lý luận Pearson loại III để tính toán lượng mưa tiêu thiết kế cho các chu kỳ lặp P = 10% (thiết kế) và P = 50% (thường xuyên). Dữ liệu không gian bao gồm bình đồ địa hình cao độ +4,5 m đến +6,5 m, mặt cắt hình học của 1.735,91 m kênh tiêu chính, 4.320 m kênh 7 xã và 6.028 m thuộc 4 tuyến kênh nhánh cấp 1 (Tào Khê, Đổng Viên, Giao Thông, 7 xã).

Mô hình toán SWMM (Storm Water Management Model) do Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA) phát triển được lựa chọn làm công cụ tính toán thủy lực và thủy văn chính. Lý do lựa chọn SWMM là khả năng mô phỏng chi tiết mạng lưới thoát nước hỗn hợp đô thị - nông nghiệp, mô tả chính xác quá trình lan truyền sóng lũ trong lòng dẫn hở, hồ điều hòa, các cống điều tiết khẩu độ 2,0x2,0 m và chế độ đóng mở tự động của từng tổ máy bơm theo mực nước bể hút.

Quá trình kiểm định mô hình được thực hiện dựa trên số liệu thực đo của trận mưa lịch sử tháng 8/2016 và bão số 3 tháng 7/2018 (lượng mưa xấp xỉ 300 mm). Cỡ mẫu đánh giá bao gồm toàn bộ chuỗi số liệu vận hành thực tế của 25 máy bơm trạm Phù Đổng, 9 máy bơm trạm Thịnh Liên và 28 máy bơm trạm Dương Hà. Kết quả kiểm định cho thấy sai số giữa tính toán mô hình và thực đo về mực nước bể hút dao động dưới 0,08 m và sai số tổng số giờ bơm không vượt quá 7,5%, bảo đảm độ tin cậy cao để xây dựng các kịch bản vận hành đến năm 2030.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, hệ thống công trình đầu mối hiện hữu bị suy giảm nghiêm trọng về năng lực vận hành thực tế. Trạm bơm Phù Đổng xây dựng năm 1974 chỉ duy trì được khoảng 60% lưu lượng danh định, các ống đẩy rỉ sét gây rò rỉ nước cục bộ. Trạm bơm Thịnh Liên với 9 máy bơm trục đứng tổng công suất thiết kế 5,75 m3/s có hiện tượng nứt bể tháo, khiến nước hồi lưu ngược về bể hút. Trạm bơm Dương Hà có cao trình đáy bể hút thiết kế +3,0 m nhưng bị bồi lắng bùn cát dày trên 0,5 m, làm giảm hiệu suất hút sâu của 28 tổ máy trục ngang.

Thứ hai, quá trình chuyển đổi 63,6 ha đất tại Cụm công nghiệp Ninh Hiệp và 62,5 ha tại Nhà máy nước mặt sông Đuống kết hợp với tác động của biến đổi khí hậu làm gia tăng áp lực dòng chảy mặt đột biến. Theo tính toán thủy văn theo kịch bản RCP4.5 giai đoạn 2020–2039, lượng mưa 5 ngày lớn nhất tăng từ 6% đến 8,5% so với thời kỳ cơ sở. Khi lượng mưa tăng kết hợp với hệ số thấm suy giảm, hệ số tiêu yêu cầu của lưu vực 2.500 ha tăng từ 17,12% lên mức 35,65%, vượt xa năng lực chuyển tải của hệ thống kênh dẫn tự nhiên.

Thứ ba, ngập úng diễn biến phức tạp và gây thiệt hại kinh tế nghiêm trọng trong các đợt mưa cực đoan. Điển hình trong đợt mưa bão số 3 năm 2018 với tổng lượng mưa gần 300 mm, khu vực hạ lưu trạm Dương Hà và Phù Đổng bị ngập sâu trên 2 ngày, làm mất trắng hơn 30% diện tích lúa mới cấy của các xã Phù Đổng và Trung Mầu. Khoảng 1% diện tích trũng thấp cục bộ bị ngâm nước kéo dài tới 10 ngày do kênh 7 xã bị bồi lắng, bề rộng đáy kênh bị thu hẹp từ 4,0 m xuống chỉ còn 2,5 m.

Thứ tư, nghiên cứu đã xây dựng và mô phỏng thành công 6 nhóm kịch bản vận hành liên thông (từ KB1 đến KB6) tương ứng với các tổ hợp mưa P = 10%, P = 50% và hiện trạng nâng cấp trạm bơm Phù Đổng mới (4 máy bơm trục đứng loại 8.000 m3/h, nâng tổng công suất xả lên 32.000 m3/h). Kết quả phân tích điện năng tiêu thụ chứng minh rằng phương thức vận hành phối hợp phân cấp giúp giảm tổng thời gian chạy máy trùng giờ cao điểm, tiết kiệm từ 180.000 kWh đến 245.000 kWh điện năng mỗi mùa mưa bão.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi gây ngập úng không chỉ nằm ở sự suy thoái cơ khí của máy bơm mà chủ yếu do mạng lưới kênh trục chưa được nạo vét đồng bộ, tạo thành các nút thắt cổ chai thủy lực. Tuyến kênh 7 xã dài 4.320 m và tuyến kênh chính dài 1.735,91 m bị bèo rác phủ kín và sạt lở bờ nghiêm trọng, làm hệ số nhám lòng dẫn tăng cao, cản trở dòng chảy dồn về bể hút của trạm Thịnh Liên và Dương Hà.

Khi so sánh với các nghiên cứu tiêu thoát nước tại lưu vực sông Nhuệ hay hệ thống Nam Thái Bình của Bùi Nam Sách, kết quả của luận văn khẳng định tính tương đồng về quy luật gia tăng hệ số tiêu khi kết hợp đồng thời hai yếu tố biến đổi khí hậu và đô thị hóa. Tuy nhiên, điểm đột phá của nghiên cứu này là giải quyết bài toán vận hành liên hồ chứa và liên trạm bơm quy mô vừa và nhỏ thông qua các cống điều tiết trung gian như cống Giao Thông (2 khoang kích thước 2,2x2,0 m) và cống Dương Hà (3 cửa kích thước 2,0x2,0 m).

Dữ liệu mô phỏng từ mô hình SWMM được biểu diễn trực quan qua hệ thống biểu đồ đường mặt nước dọc tuyến kênh chính và các bảng cân bằng năng lượng tiêu thụ (Bảng 3-8 đến Bảng 3-35 trong luận văn). Các bảng thống kê này thể hiện chi tiết số giờ bơm của từng tổ máy theo từng bậc thời gian 1 giờ, chứng minh tính khả thi của việc ưu tiên vận hành trạm Thịnh Liên nằm ở vùng rốn nước trước 2 đến 3 giờ nhằm hạ thấp mực nước đệm lòng kênh, đón đầu đỉnh lũ mà không gây tràn bờ vùng, bờ thửa nội đồng.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, đẩy nhanh tiến độ thi công và đưa vào vận hành trạm bơm Phù Đổng mới. UBND huyện Gia Lâm và Xí nghiệp Đầu tư Phát triển Thủy lợi Gia Lâm cần hoàn thành lắp đặt 4 tổ máy bơm trục đứng công suất 8.000 m3/h/máy trước mùa mưa bão năm 2020, nâng tổng lưu lượng xả lũ của trạm lên 32.000 m3/h, đồng thời thay mới trạm biến áp chuyên dùng để đảm bảo an toàn đóng cắt điện.

Thứ hai, triển khai kiên cố hóa và nạo vét đồng bộ hệ thống kênh trục tiêu thoát. Đơn vị quản lý thủy nông cần thực hiện nạo vét 1.467 m và kè mái 239 m kênh chính trạm Phù Đổng; khơi thông 4 tuyến kênh nhánh cấp 1 với tổng chiều dài 6.028 m (kênh Tào Khê 852 m, kênh Đổng Viên 961 m, kênh Giao Thông 1.792 m và kênh 7 xã đoạn qua xã Ninh Hiệp 2.152 m). Mục tiêu đạt bề rộng đáy kênh thiết kế từ 3,0 m đến 12,0 m, hoàn thành trong giai đoạn 2020–2022.

Thứ ba, áp dụng quy trình vận hành liên thông 3 trạm bơm theo biểu đồ mực nước khống chế tại bể hút. Ban chỉ huy Phòng chống thiên tai địa phương cần chỉ đạo vận hành ưu tiên trạm Thịnh Liên (9 tổ máy, 5,75 m3/s) làm trạm bơm cơ bản tại vùng trũng để hạ thấp mực nước kênh trục xuống dưới cao trình +3,5 m trước khi bão đổ bộ. Khi lượng mưa vượt 100 mm/ngày, tiến hành kích hoạt trạm Dương Hà (28 máy) và trạm Phù Đổng mới, tận dụng khung giờ thấp điểm (từ 22h00 đến 04h00 sáng) để tiết kiệm ít nhất 15% chi phí tiền điện hàng năm.

Thứ tư, hiện đại hóa công tác quan trắc và điều khiển tự động hóa. Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Hà Nội cần đầu tư lắp đặt hệ thống cảm biến đo mực nước tự động SCADA tại 3 bể hút và các cống điều tiết then chốt (cống Giao Thông Km0+574, cống Dương Hà K13+550), kết nối dữ liệu thời gian thực với phần mềm SWMM để hỗ trợ ra quyết định đóng mở cống và khởi động máy bơm chính xác theo thời gian thực từ năm 2023.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, cán bộ quản lý và kỹ sư vận hành tại các công ty khai thác công trình thủy lợi, đặc biệt là Xí nghiệp Đầu tư Phát triển Thủy lợi Gia Lâm và Công ty Thủy nông Bắc Đuống. Luận văn cung cấp bảng tra số giờ bơm và kịch bản phối hợp vận hành 3 trạm bơm chi tiết, phục vụ trực tiếp cho công tác lập kế hoạch phân phối điện năng và phòng chống úng ngập mùa vụ.

Thứ hai, cơ quan quản lý nhà nước gồm Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Sở Tài nguyên và Môi trường thành phố Hà Nội, UBND huyện Gia Lâm. Các đơn vị này có thể sử dụng các số liệu dự báo ngập úng và hệ số tiêu năm 2030 làm căn cứ phê duyệt quy hoạch thoát nước đô thị, cấp phép xây dựng các cụm công nghiệp và dự án nhà ở ven sông Đuống.

Thứ ba, các kỹ sư tư vấn thiết kế công trình thủy lợi và thoát nước đô thị. Luận văn cung cấp phương pháp luận chuẩn xác về việc ứng dụng phần mềm SWMM để tính toán thủy lực cho lưu vực hỗn hợp nông nghiệp - đô thị có xét đến kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5.

Thứ tư, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước, Thủy văn học, Kỹ thuật xây dựng công trình thủy. Tài liệu này đóng vai trò là case study thực tế giá trị về mô hình hóa hệ thống tiêu động lực liên trạm, phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu mở rộng.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần xây dựng quy trình vận hành liên thông thay vì để 3 trạm bơm hoạt động độc lập? Ba trạm bơm Dương Hà, Phù Đổng và Thịnh Liên dùng chung lưu vực 2.500 ha và có hệ thống kênh tiêu 7 xã liên kết trực tiếp. Vận hành độc lập dẫn đến tình trạng trạm vùng rốn nước Thịnh Liên bị quá tải trong khi trạm Dương Hà thiếu nước cục bộ tại bể hút. Vận hành liên thông qua cống điều tiết giúp phân phối đều lưu lượng, hạ mực nước đệm đồng bộ và tiết kiệm trên 15% điện năng tiêu thụ.

Đô thị hóa tại Gia Lâm làm thay đổi các thông số thủy văn của lưu vực như thế nào? Quá trình chuyển đổi 63,6 ha Cụm công nghiệp Ninh Hiệp và 420 ha Khu đô thị Gia Lâm đã bê tông hóa bề mặt, làm hệ số thấm nước giảm mạnh. Thời gian tập trung dòng chảy mặt rút ngắn từ 4 giờ xuống còn dưới 1,5 giờ, trong khi hệ số tiêu thiết kế tăng từ 17,12% lên 35,65%, khiến lưu lượng nước đổ về kênh tiêu vượt quá khả năng tự chảy.

Mô hình SWMM giải quyết bài toán tiêu nước trong luận văn như thế nào? Mô hình SWMM mô phỏng chính xác mạng lưới 1.735,91 m kênh chính, các cống điều tiết 2,0x2,0 m và 62 máy bơm thuộc 3 trạm đầu mối. Mô hình tính toán lan truyền sóng lũ theo phương trình Saint-Venant, cho phép dự báo mực nước bể hút và tự động kích hoạt số lượng tổ máy bơm tối ưu theo từng kịch bản mưa P = 10% và P = 50%.

Kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 tác động ra sao đến lượng mưa tính toán của hệ thống? Theo kịch bản RCP4.5, lượng mưa năm tại Bắc Bộ tăng từ 5% đến 15%, trong đó lượng mưa 5 ngày lớn nhất thời kỳ 2020–2039 tăng trung bình từ 6% đến 8,5%. Sự gia tăng này khiến các trận mưa cực đoan xấp xỉ 300 mm xuất hiện thường xuyên hơn, đòi hỏi trạm Phù Đổng phải nâng công suất lên 32.000 m3/h để tránh ngập úng trên 2 ngày.

Giải pháp nào giúp cắt giảm chi phí tiền điện khi vận hành hệ thống trạm bơm tiêu? Quy trình đề xuất tận dụng trạm bơm Thịnh Liên bơm hạ thấp mực nước đệm kênh dẫn vào khung giờ thấp điểm ban đêm (giá điện thấp hơn khoảng 50% so với giờ cao điểm). Khi bão đổ bộ, hệ thống kênh đã có sẵn dung tích trữ chậm, giúp giảm thiểu số giờ phải huy động đồng loạt 62 máy bơm vào khung giờ cao điểm ban ngày.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết toàn diện bài toán khoa học và thực tiễn về tiêu thoát nước đô thị - nông thôn cho lưu vực 2.500 ha tại huyện Gia Lâm, thể hiện qua 5 kết quả nổi bật:

  • Đánh giá chi tiết hiện trạng xuống cấp nghiêm trọng của 3 trạm bơm đầu mối, chỉ ra nguyên nhân lưu lượng thực tế trạm Phù Đổng và Thịnh Liên chỉ đạt 50% đến 60% công suất thiết kế.
  • Xác lập chuỗi dữ liệu thủy văn mưa tiêu thiết kế giai đoạn 2020–2030 theo kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 với tần suất P = 10% và P = 50%.
  • Ứng dụng thành công mô hình thủy lực SWMM để mô phỏng mạng lưới kênh dẫn dài hơn 12.000 m, kiểm định sai số mực nước bể hút đạt dưới 0,08 m.
  • Xây dựng 6 kịch bản vận hành liên thông tối ưu giữa trạm Dương Hà, Thịnh Liên và trạm Phù Đổng nâng cấp (32.000 m3/h), giúp ngăn ngừa nguy cơ mất trắng hơn 30% diện tích canh tác lúa khi mưa lớn xấp xỉ 300 mm.
  • Đề xuất phương án vận hành lệch giờ cao điểm, giúp tiết kiệm từ 15% đến 22% chi phí điện năng tiêu thụ cho toàn hệ thống thủy nông.

Trong giai đoạn 2020–2030, các đơn vị quản lý cần sớm triển khai kiên cố hóa 6.028 m kênh nhánh, lắp đặt hệ thống SCADA tự động tại các cống điều tiết để hoàn thiện quy trình quản lý thông minh. Các nhà quản lý thủy lợi, kỹ sư quy hoạch đô thị và nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác toàn bộ dữ liệu mô hình SWMM và bảng tính chi tiết trong luận văn để áp dụng cho các hệ thống tiêu động lực tương tự tại vùng Đồng bằng sông Hồng.