Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Trà Khúc là hệ thống sông huyết mạch và lớn nhất của tỉnh Quảng Ngãi với diện tích lưu vực tự nhiên 3.240 km2, chiếm khoảng 55% tổng diện tích toàn tỉnh. Vùng lưu vực là không gian sinh sống và phát triển kinh tế của hơn 1.040.647 người dân, đồng thời nuôi dưỡng các vùng sản xuất nông nghiệp trọng điểm và khu công nghiệp ven biển. Tuy nhiên, sự phân bố nguồn nước mặt tại đây diễn ra vô cùng phức tạp và bất cân đối. Mùa mưa chỉ kéo dài 4 tháng (từ tháng IX đến tháng XII) nhưng tập trung tới 70% đến 80% tổng lượng mưa năm và 65% đến 75% tổng lượng dòng chảy toàn lưu vực. Ngược lại, mùa khô kéo dài tới 8 tháng chỉ chiếm từ 20% đến 35% lượng nước, khiến tình trạng hạn hán và thiếu nước cục bộ diễn ra gay gắt, đe dọa trực tiếp đến đời sống dân sinh và an ninh sản xuất.

Trước áp lực gia tăng dân số, mở rộng công nghiệp hóa và biến đổi khí hậu, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Quy hoạch và Quản lý tài nguyên nước của tác giả Lê Thế Trung, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Viết Ổn tại Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội, đã tập trung giải quyết bài toán cấp bách về quản lý nguồn nước. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là ứng dụng mô hình toán MIKE BASIN nhằm tính toán cân bằng và mô phỏng phân bổ tài nguyên nước mặt cho lưu vực sông Trà Khúc ở giai đoạn hiện trạng và dự báo đến năm 2020. Nghiên cứu xác lập nguyên tắc chia sẻ nguồn nước công bằng, bảo đảm tối thiểu 10% tổng nhu cầu nước cho dòng chảy môi trường, qua đó cung cấp cơ sở khoa học tin cậy cho công tác quy hoạch phát triển bền vững của địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng lý thuyết Quản lý tổng hợp tài nguyên nước (IWRM) và nguyên lý bảo toàn khối lượng trong cân bằng nước lưu vực sông. Mối quan hệ cân bằng nước được xác định dựa trên tương quan giữa tổng lượng dòng chảy đến, dòng chảy đi, lượng khai thác của các ngành kinh tế và dung tích trữ tự nhiên của hệ thống sông.

Nghiên cứu bám sát khung pháp lý của Luật Tài nguyên nước số 17/2012/QH13 và Chiến lược quốc gia về tài nguyên nước đến năm 2020. Khung chính sách này định rõ thứ tự ưu tiên phân bổ: bảo đảm 100% nước sinh hoạt, duy trì dòng chảy môi trường sinh thái tối thiểu, đáp ứng nhu cầu phát triển công nghiệp tập trung và điều hòa nước tưới nông nghiệp, thủy sản theo tỷ lệ thực tế. Các khái niệm then chốt như dòng chảy môi trường (quy định bằng 10% tổng nhu cầu dùng nước của các tiểu lưu vực), cơ chế ưu tiên toàn bộ và điểm nút tính toán tài nguyên nước được chuẩn hóa xuyên suốt mô hình.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn dài hạn trên 20 năm (giai đoạn 1979 - 2008) từ mạng lưới trạm đo chuyên dụng gồm 3 trạm thủy văn chính (Sơn Giang, Trà Khúc, Thạch Nham) và 7 trạm đo mưa phân bố khắp lưu vực như Ba Tơ, Giá Vực, Mộ Đức, Đức Phổ. Cỡ mẫu dữ liệu bao phủ toàn bộ 12 tiểu lưu vực với tổng diện tích 3.240 km2. Phương pháp thu thập dữ liệu kết hợp điều tra hiện trạng kinh tế - xã hội, mức tiêu thụ nước thực tế từ Niên giám thống kê tỉnh Quảng Ngãi và các quy hoạch phát triển vùng.

Lưu vực được phân chia không gian thành 2 vùng địa hình gồm thượng lưu đập Thạch Nham (diện tích 2.840 km2) và hạ lưu đập Thạch Nham (diện tích 400 km2), sau đó chi tiết hóa thành 12 tiểu vùng thủy văn gắn liền các nút cấp nước. Mô hình MIKE BASIN do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) phát triển được lựa chọn làm công cụ phân tích trung tâm vì khả năng tích hợp linh hoạt trên nền tảng ArcView GIS. Mô hình cho phép mô phỏng mạng sông dạng nút - nhánh phức tạp, xử lý nhanh các chuỗi dữ liệu thủy văn đa kịch bản theo bước thời gian tháng và mô phỏng chính xác cơ chế phân bổ nguồn nước đa mục tiêu giữa thượng lưu và hạ du.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả tính toán hiện trạng năm 2012 cho thấy tổng nhu cầu sử dụng nước mặt của các ngành trên toàn lưu vực đạt 642,702 triệu m3/năm. Trong đó, ngành nông nghiệp chiếm tỷ trọng chi phối với 349,390 triệu m3/năm (chiếm 54,36%), công nghiệp tiêu thụ 185,837 triệu m3/năm (chiếm 28,91%), nước sinh hoạt là 32,728 triệu m3/năm (chiếm 5,09%), nuôi trồng thủy sản là 11,288 triệu m3/năm và dòng chảy môi trường cần 57,942 triệu m3/năm. Không gian sử dụng nước có sự chênh lệch sâu sắc khi vùng hạ lưu tiêu thụ tới 502,792 triệu m3/năm (chiếm 78,23% tổng nhu cầu toàn lưu vực), trong khi thượng lưu chỉ chiếm 139,110 triệu m3/năm.

Đến năm 2020, tổng nhu cầu dùng nước dự báo tăng lên mức 807,666 triệu m3/năm (tăng 25,66% so với năm 2012). Cụ thể, nhu cầu nước công nghiệp tăng vọt 48,11% lên 275,249 triệu m3/năm do sự mở rộng của các khu kinh tế ven biển; nước nông nghiệp tăng lên 393,911 triệu m3/năm phục vụ 87.338,3 ha diện tích canh tác; nước sinh hoạt tăng lên 45,035 triệu m3/năm đáp ứng quy mô hơn 1,12 triệu dân. Kết quả chạy mô hình MIKE BASIN với tần suất dòng chảy P=50% cho thấy nguồn nước cơ bản đáp ứng đủ. Tuy nhiên, tại tần suất kiệt P=85%, lưu lượng kiệt tháng IV tại trạm Sơn Giang giảm sâu xuống mức 21,6 m3/s đến 50,3 m3/s, gây thiếu hụt nguồn nước mặt nghiêm trọng tại các nút tưới hạ lưu như tiểu lưu vực Tả Trà Khúc và Hữu Trà Khúc.

Thảo luận kết quả

Sự mất cân đối cung - cầu nguồn nước xuất phát từ biến động tự nhiên khắc nghiệt của chế độ dòng chảy. Lưu lượng trung bình nhiều năm tại Sơn Giang trong tháng lũ cao nhất (tháng XI) đạt 691 m3/s, gấp hơn 13 lần so với tháng kiệt nhất (tháng IV chỉ đạt 51,2 m3/s). Trong khi đó, hệ thống hồ chứa thượng nguồn chưa đủ dung tích điều tiết năm, kết hợp với tốc độ tăng trưởng công nghiệp dự kiến đạt 13%/năm ở hạ du, khiến nguy cơ xung đột nguồn nước trong các tháng mùa khô càng trở nên gay gắt.

Toàn bộ kết quả cân bằng nước được trực quan hóa sinh động thông qua hệ thống bản đồ mạng sông số hóa 12 tiểu lưu vực, biểu đồ thanh so sánh mức độ thiếu hụt giữa các ngành dùng nước và các bảng cân bằng nước chi tiết theo 12 tháng. Cách trình bày dạng bảng và biểu đồ giúp phân định rõ ràng lượng nước thiếu hụt theo từng kịch bản tần suất P=50% và P=85%. So với các mô hình thế hệ cũ như MITSIM, công cụ MIKE BASIN chứng minh ưu thế vượt trội khi tích hợp thành công dòng chảy môi trường đạt 10% tổng nhu cầu vào thuật toán phân bổ, mang lại giải pháp chia sẻ tài nguyên nước minh bạch và bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

Trên cơ sở kết quả mô phỏng, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược nhằm tối ưu hóa việc phân bổ và sử dụng nguồn nước lưu vực sông Trà Khúc:

  • Ban hành quy chế phân bổ nước mặt liên tiểu lưu vực: Thể chế hóa thứ tự ưu tiên phân bổ theo Luật Tài nguyên nước số 17/2012/QH13, đảm bảo cấp đủ 100% nước sinh hoạt và duy trì dòng chảy môi trường tối thiểu 10% tổng nhu cầu trong mọi điều kiện thời tiết. Chủ thể thực hiện là Ủy ban nhân dân tỉnh Quảng Ngãi và Sở Tài nguyên và Môi trường, triển khai trong giai đoạn 2014 - 2016.
  • Nâng cấp và hiện đại hóa hệ thống thủy nông Thạch Nham: Đầu tư kiên cố hóa hệ thống kênh mương tưới tiêu thuộc 12 tiểu lưu vực nhằm giảm tổn thất thất thoát nước từ 25% xuống dưới 15%, tiết kiệm trên 20 triệu m3 nước mỗi mùa vụ. Chủ thể thực hiện là Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Quảng Ngãi, hoàn thành trong giai đoạn 2015 - 2020.
  • Xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa thông minh: Thiết lập cơ chế điều tiết phối hợp giữa các hồ chứa thủy điện và thủy lợi thượng lưu như Đăk Đrinh và Nước Trong, cam kết lưu lượng xả duy trì dòng chảy kiệt sau đập không thấp hơn 90% dòng chảy tháng kiệt tự nhiên. Chủ thể thực hiện là Ban Quản lý các hồ chứa cùng Chi cục Thủy lợi, thực hiện thường niên từ năm 2014.
  • Tăng cường bảo vệ và phục hồi rừng phòng hộ đầu nguồn: Đẩy mạnh trồng rừng tại các huyện vùng cao Ba Tơ, Sơn Tây, Sơn Hà nhằm nâng độ che phủ rừng từ 45% lên trên 55%, giúp gia tăng khả năng giữ nước mùa kiệt và giảm 15% đến 20% dòng chảy đỉnh lũ. Chủ thể thực hiện là Chi cục Kiểm lâm và Ủy ban nhân dân các huyện miền núi, triển khai liên tục đến năm 2020.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị ứng dụng cao cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

  • Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường: Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Quảng Ngãi sử dụng số liệu và kịch bản phân bổ để xây dựng Quy hoạch tài nguyên nước mặt và ban hành hạn ngạch cấp phép khai thác nguồn nước cho các ngành.
  • Đơn vị quản lý và khai thác công trình thủy lợi: Công ty Trách nhiệm hữu hạn Một thành viên Khai thác công trình thủy lợi Quảng Ngãi và Ban quản lý hệ thống Thạch Nham ứng dụng mạng lưới nút cấp nước để tối ưu hóa lịch đóng mở cống và điều tiết kênh dẫn.
  • Giảng viên, nhà khoa học và học viên cao học: Các chuyên gia ngành Quy hoạch tài nguyên nước, Thủy văn học và Kỹ thuật tài nguyên nước sử dụng luận văn như tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp ứng dụng MIKE BASIN kết hợp GIS trong mô phỏng lưu vực sông miền Trung.
  • Doanh nghiệp sản xuất công nghiệp và hợp tác xã nông nghiệp: Các ban quản lý khu công nghiệp ven biển và các tổ chức dùng nước tham khảo dữ liệu dự báo thiếu nước tần suất P=85% để chủ động xây dựng kế hoạch tích trữ, tái tuần hoàn nước và chuyển đổi cơ cấu mùa vụ thích ứng.

Câu hỏi thường gặp

Mục tiêu cốt lõi của việc ứng dụng mô hình MIKE BASIN trong nghiên cứu này là gì?
Mô hình MIKE BASIN được ứng dụng nhằm lượng hóa chính xác cán cân nước mặt trên diện tích 3.240 km2 của lưu vực sông Trà Khúc. Mô hình mô phỏng mạng sông qua 12 tiểu lưu vực, phân tích nhu cầu nước hiện trạng 642,702 triệu m3 và dự báo năm 2020 đạt 807,666 triệu m3, giúp xây dựng phương án phân bổ nước tối ưu theo các kịch bản tần suất.

Thứ tự ưu tiên phân bổ nguồn nước trên lưu vực sông Trà Khúc được xác định như thế nào?
Thứ tự ưu tiên tuân thủ nghiêm ngặt Luật Tài nguyên nước số 17/2012/QH13: ưu tiên số một cho sinh hoạt với hơn 45 triệu m3 vào năm 2020; ưu tiên số hai cho dòng chảy môi trường đạt 10% tổng nhu cầu; ưu tiên số ba cho sản xuất công nghiệp; cuối cùng là cấp nước tưới nông nghiệp và thủy sản theo tỷ lệ khả năng nguồn nước.

Tại sao hạ lưu sông Trà Khúc thường xuyên đối mặt với nguy cơ thiếu nước trong mùa khô?
Nguyên nhân chủ yếu do chế độ dòng chảy phân bố rất không đều. Mùa khô kéo dài 8 tháng chỉ chiếm khoảng 30% tổng lượng dòng chảy năm, lưu lượng tháng IV tại Sơn Giang xuống thấp kỷ lục chỉ 21,6 m3/s. Trong khi đó, hạ lưu tập trung tới 78,23% tổng nhu cầu dùng nước của toàn tỉnh, gây áp lực thiếu hụt nghiêm trọng.

Dòng chảy môi trường trên lưu vực sông Trà Khúc được tính toán dựa trên căn cứ nào?
Luận văn lựa chọn phương pháp tính toán chuẩn cho lưu vực phân nhánh, xác định dòng chảy môi trường bằng 10% tổng nhu cầu sử dụng nước của các ngành kinh tế trên từng tiểu lưu vực. Cụ thể, lượng nước dành cho môi trường đạt 57,942 triệu m3 vào năm 2012 và tăng lên 73,606 triệu m3 vào năm 2020 nhằm bảo vệ hệ sinh thái thủy sinh.

Mô hình MIKE BASIN có ưu thế gì nổi bật so với các phương pháp tính toán cân bằng nước truyền thống?
MIKE BASIN liên kết trực tiếp với hệ thống thông tin địa lý ArcView GIS, cho phép số hóa mạng sông dạng nút - nhánh trực quan và xử lý dữ liệu chuỗi thời gian trên 20 năm cực kỳ nhanh chóng. Mô hình giải quyết bài toán phân phối nước đa mục tiêu giữa vùng thượng lưu và vùng hạ lưu một cách công bằng và chuẩn xác.

Kết luận

  • Số hóa hoàn chỉnh mạng lưới thủy văn lưu vực sông Trà Khúc diện tích 3.240 km2 thành 12 tiểu lưu vực tính toán chi tiết trên nền tảng mô hình MIKE BASIN kết hợp ArcView GIS.
  • Lượng hóa toàn diện tổng nhu cầu nước mặt giai đoạn hiện trạng năm 2012 đạt 642,702 triệu m3 và dự báo chính xác nhu cầu đến năm 2020 đạt 807,666 triệu m3, ghi nhận mức tăng 25,66%.
  • Xác lập cơ chế phân bổ nước khoa học, đảm bảo tuyệt đối nhu cầu nước sinh hoạt và duy trì dòng chảy môi trường đạt 73,606 triệu m3 vào năm 2020.
  • Nhận diện chính xác các điểm nghẽn thiếu hụt nguồn nước tại khu vực tưới hạ lưu đập Thạch Nham trong các kịch bản dòng chảy kiệt tần suất P=85%.
  • Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp công trình và quản lý đồng bộ nhằm giảm tỷ lệ thất thoát nước tưới xuống dưới 15% trong giai đoạn 2015 - 2020.

Luận văn của học viên Lê Thế Trung là công trình nghiên cứu công phu, cung cấp luận cứ khoa học thực tiễn cho bài toán quy hoạch và chia sẻ tài nguyên nước mặt tỉnh Quảng Ngãi. Trong giai đoạn tiếp theo, các cơ quan ban ngành cần sớm áp dụng kết quả mô hình vào thực tế điều hành liên hồ chứa và quy hoạch cấp nước. Hãy tham khảo và ứng dụng ngay tài liệu luận văn này để tối ưu hóa quy trình quản lý, vận hành hệ thống thủy lợi và bảo đảm an ninh nguồn nước bền vững cho toàn lưu vực sông Trà Khúc.