Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông La thuộc tỉnh Hà Tĩnh sở hữu vị trí địa lý - kinh tế chiến lược với tổng diện tích lưu vực đạt 3.210 km², là hợp lưu của hai nhánh sông chính gồm sông Ngàn Phố (diện tích 1.060 km²) và sông Ngàn Sâu (diện tích 2.060 km²). Mặc dù khu vực này đón nhận lượng mưa trung bình năm khá lớn, dao động từ trên 2.000 mm đến 3.500 mm tại các sườn đón gió thượng nguồn, nguồn tài nguyên nước mặt ước tính từ 11 đến 13 tỷ m³/năm lại phân bố vô cùng bất đối xứng theo không gian và thời gian. Mùa lũ chỉ kéo dài vài tháng nhưng chiếm từ 75% đến 85% tổng lượng dòng chảy năm, kết hợp địa hình đồi núi chiếm 80% diện tích và độ dốc bình quân 2,82%, thường xuyên gây ra lũ quét, sạt lở và ngập lụt nghiêm trọng. Ngược lại, mùa cạn kéo dài chiếm chưa đầy 25% lượng nước, khiến hạ lưu đối mặt với nguy cơ hạn hán và xâm nhập mặn gay gắt.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là giải quyết tình trạng thiếu hụt các công cụ đánh giá chi tiết, phân bố không gian về các thành phần cân bằng nước tự nhiên. Mục tiêu cụ thể của đề tài là ứng dụng mô hình thủy văn phân bố MIKE SHE nhằm mô phỏng liên tục quá trình mưa - dòng chảy, từ đó tính toán định lượng các thành phần bốc thoát hơi nước, dòng chảy tràn bề mặt, thấm tầng chưa bão hòa và dòng chảy ngầm cho lưu vực sông La trong giai đoạn 2000 – 2008. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc cung cấp cơ sở khoa học chính xác cho công tác quy hoạch, điều tiết hiệu quả mạng lưới 339 hồ chứa có tổng dung tích gần 771 triệu m³ và phục vụ phát triển kinh tế - xã hội bền vững tại địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng các định luật vật lý cơ bản về bảo toàn khối lượng, bảo toàn động lượng và bảo toàn năng lượng trong chu trình thủy văn toàn cầu. Khung lý thuyết của mô hình MIKE SHE tích hợp đồng bộ nhiều quá trình thủy văn phức tạp thông qua các công thức toán học chuyên sâu:

  • Quá trình bốc thoát hơi nước (ET): Ứng dụng phương pháp Kristensen - Jensen để tính toán thoát hơi thực tế Eat dựa trên bốc thoát hơi tiềm năng Ep, chỉ số diện tích lá LAI và hệ số phân bố rễ cây AROOT với giá trị tiêu chuẩn 0,25 m⁻¹. Khả năng trữ cản tối đa của tán cây được xác định thông qua hệ số chặn thực nghiệm Cint mặc định là 0,05 mm.
  • Dòng chảy tràn bề mặt (Overland Flow): Sử dụng hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng Saint-Venant 2 chiều dạng sóng khuếch tán, kết hợp hệ số nhám Manning M để mô tả động lực học dòng chảy tràn trên sườn dốc theo phương x và phương y.
  • Dòng chảy đới không bão hòa (UZ): Thiết lập phương trình Richards 1 chiều theo phương thẳng đứng dựa trên định luật Darcy và phương trình liên tục, phản ánh chính xác tương quan giữa độ ẩm thể tích đất và thế áp lực nước.
  • Dòng chảy ngầm đới bão hòa (SZ): Mô hình hóa theo phương trình Boussinesq 3 chiều phi tuyến, giải bằng phương pháp gradient liên hợp có điều kiện trước (PCG) tương tự cấu trúc chuẩn trong mô hình MODFLOW.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp thống kê thủy văn, mô hình hóa toán học và công nghệ hệ thông tin địa lý (GIS) trên một tập dữ liệu đa nguồn:

  • Cỡ mẫu và nguồn dữ liệu: Chuỗi quan trắc khí tượng thủy văn đồng bộ 9 năm liên tục (từ năm 2000 đến 2008) với 3.288 bước thời gian ngày; mô hình số độ cao DEM độ phân giải 30x30 m; bản đồ thổ nhưỡng 9 nhóm đất (trong đó đất đỏ vàng chiếm 51,6% và đất phù sa chiếm 17,7%); bản đồ hiện trạng sử dụng đất và thảm phủ thực vật toàn tỉnh.
  • Phương pháp chọn mẫu và phân vùng: Chọn mẫu đại biểu theo các trạm khí tượng thủy văn chủ lực gồm Sơn Diệm (sông Ngàn Phố) và Hòa Duyệt (sông Ngàn Sâu). Không gian mưa được nội suy phân bố bằng phương pháp đa giác Thiessen từ 5 trạm đo khí tượng đại diện trong và lân cận lưu vực.
  • Quy trình hiệu chỉnh và kiểm định: Giai đoạn hiệu chỉnh thông số mô hình được thực hiện trong 3 năm (01/01/2002 – 31/12/2004) và giai đoạn kiểm định độc lập trong 2 năm (01/01/2007 – 31/12/2008).
  • Lý do lựa chọn phương pháp: Mô hình phân bố vật lý MIKE SHE được lựa chọn vì vượt trội hơn hẳn các mô hình thông số tập trung truyền thống, cho phép xem xét chi tiết sự biến đổi theo không gian 3 chiều của đặc trưng mặt đệm, thảm phủ và tương tác giữa các tầng nước ngầm với dòng chảy kênh dẫn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng chuỗi dòng chảy 9 năm bằng mô hình MIKE SHE trên lưu vực sông La đã đưa ra các kết quả định lượng chi tiết:

  • Độ chính xác và độ tin cậy của mô hình: Kết quả hiệu chỉnh (2002 – 2004) và kiểm định (2007 – 2008) tại hai trạm thủy văn Sơn Diệm và Hòa Duyệt đạt mức tương thích rất cao. Các chỉ số thống kê đánh giá như hệ số hiệu quả Nash-Sutcliffe (NSE) đạt trên 0,75 ở giai đoạn hiệu chỉnh và duy trì trên 0,70 ở giai đoạn kiểm định; sai số tương đối tổng lượng dòng chảy duy trì dưới 10%, phản ánh sát diễn biến thực tế các đỉnh lũ lớn và dòng kiệt.
  • Cơ cấu định lượng cân bằng nước tự nhiên: Với lượng mưa trung bình năm đạt khoảng 2.150 mm trên toàn lưu vực, lượng bốc thoát hơi nước thực tế chiếm khoảng 32% đến 36% tổng lượng nước đến; dòng chảy mặt và dòng sát mặt chiếm tỷ trọng áp đảo từ 48% đến 52%; lượng nước thấm bổ cập cho các tầng chứa nước ngầm và biến thiên trữ lượng ẩm chiếm khoảng 14% đến 18%.
  • Sự phân hóa sâu sắc theo không gian tiểu lưu vực: Tiểu lưu vực sông Ngàn Phố có độ dốc trung bình lớn (25,2%) và mật độ lưới sông dày đặc 0,91 km/km² nên tạo ra mô số dòng chảy năm đạt 64,1 l/s.km², tốc độ truyền lũ nhanh hơn 20% so với tiểu lưu vực sông Ngàn Sâu vốn có mạng lưới thung lũng kéo dài và khả năng điều tiết tự nhiên cao hơn.
  • Động thái biến động độ ẩm đất tầng rễ: Độ ẩm thể tích tầng rễ suy giảm mạnh mẽ vào các tháng mùa khô (tháng 5 đến tháng 8), đặc biệt tại các khu vực đất cát ven biển (chiếm 6,3% diện tích) và đất đồi dốc xói mòn (chiếm 6,2%), độ ẩm giảm xuống sát điểm héo của cây trồng do lượng bốc hơi Piche tháng 7 lên đến 180 - 200 mm kết hợp hiệu ứng gió Tây Nam khô nóng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến sự phân phối dòng chảy không đồng đều xuất phát từ sự tương tác giữa hoàn lưu khí quyển gió mùa và bức chắn địa hình dãy Trường Sơn. Mùa hạ và mùa thu đón nhận các đợt mưa bão cường độ lớn sinh dòng chảy tràn tức thời, trong khi mùa hè chịu ảnh hưởng của 15 đến 22 đợt gió phơn khô nóng làm nhiệt độ cực đại lên tới 42,6°C, đẩy nhanh quá trình bốc hơi bề mặt.

So với các công trình nghiên cứu trước đây tại lưu vực sông Cả vốn chỉ sử dụng mô hình thông số tập trung, việc ứng dụng MIKE SHE đã bóc tách rõ nét sự trao đổi giữa tầng chứa nước ngầm có trữ lượng tĩnh khoảng 85 triệu m³ với dòng chảy đáy sông La. Các mô hình cũ thường ước tính thiếu hụt từ 10% đến 15% lượng dòng chảy kiệt do bỏ qua cơ chế bổ cập ngầm chậm từ vùng đồi núi đá vôi và đá phiến sét.

Về mặt trực quan hóa, toàn bộ kết quả nghiên cứu được biểu diễn mạch lạc thông qua các dạng đồ thị và bản đồ chuyên đề:

  • Đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng được thể hiện qua các biểu đồ phân kỳ theo ngày, phản ánh chi tiết khả năng mô phỏng chân thực các đợt lũ lịch sử tháng 9/2002 và tháng 8/2007.
  • Cơ cấu các thành phần cân bằng nước được tổng hợp chi tiết bằng bảng số liệu thống kê nhiều năm và biểu đồ hình tròn phân chia tỷ lệ đóng góp của từng thành phần.
  • Diễn biến không gian của độ ẩm tầng chưa bão hòa được hiển thị qua chuỗi bản đồ phân bố ẩm GIS ở hai thời điểm mùa khô điển hình (tháng 6/2006, tháng 7/2007) và trước - sau các trận lũ lớn, làm nổi bật trạng thái thâm hụt ẩm theo từng nhóm tổ hợp thổ nhưỡng - địa hình.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả đánh giá định lượng cân bằng nước tự nhiên, bốn nhóm giải pháp cụ thể được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả quản trị tài nguyên nước trên lưu vực sông La:

  • Hiện đại hóa mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn tự động: Đầu tư nâng cấp, lắp đặt bổ sung 15 trạm đo mưa tự động và 4 trạm đo mực nước tự động tại vùng thượng nguồn sông Ngàn Phố và Ngàn Sâu nhằm nâng cao mật độ phủ sóng dữ liệu lên 30%, kết nối truyền dữ liệu thời gian thực phục vụ cảnh báo sớm lũ quét và hạn hán. Mục tiêu hoàn thành trong giai đoạn 2024 – 2026, do Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Hà Tĩnh phối hợp Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Bắc Trung Bộ thực hiện.
  • Xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa tối ưu hóa nguồn nước: Ban hành quy chế điều tiết linh hoạt cho hệ thống 339 hồ chứa thủy lợi, trọng tâm là công trình đa mục tiêu Ngàn Trươi - Cẩm Trang (dung tích gần 800 triệu m³) và hồ Kẻ Gỗ. Mục tiêu cắt giảm 15% đến 20% đỉnh lũ hạ du trong mùa mưa và đảm bảo dung tích trữ nước đạt trên 85% trước khi bước vào mùa kiệt, giảm thiểu 35% diện tích cây trồng bị hạn hán trong giai đoạn 2025 – 2027, do Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Hà Tĩnh chủ trì.
  • Tăng cường khoanh nuôi và phục hồi rừng phòng hộ đầu nguồn: Triển khai các dự án trồng rừng bản địa tại các huyện Hương Sơn, Hương Khê, nâng tỷ lệ che phủ rừng toàn tỉnh từ 48% lên trên 52% vào năm 2030, chú trọng bảo tồn thảm thực vật Vườn Quốc gia Vũ Quang nhằm giảm 25% lượng xói mòn đất sườn dốc và tăng khả năng giữ nước ngầm cho lưu vực, do Chi cục Kiểm lâm tỉnh Hà Tĩnh thực hiện từ năm 2024 đến năm 2030.
  • Áp dụng công nghệ tưới tiết kiệm và cơ cấu lại mùa vụ: Chuyển đổi mô hình canh tác nông nghiệp thích ứng cho 477.000 ha đất nông nghiệp toàn tỉnh, thay thế cây trồng cạn chịu hạn tại các vùng đất cát và đất bạc màu; ứng dụng công nghệ tưới nhỏ giọt nhằm tiết kiệm 25% lượng nước tưới trong giai đoạn cao điểm từ tháng 5 đến tháng 8, thực hiện liên tục trong giai đoạn 2025 – 2028 dưới sự chỉ đạo của Ủy ban nhân dân các huyện trong lưu vực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho nhiều nhóm đối tượng chuyên môn:

  • Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước và môi trường: Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh Bắc Trung Bộ và Cục Quản lý Tài nguyên nước có thể sử dụng bộ dữ liệu cân bằng nước làm căn cứ khoa học phê duyệt quy hoạch khai thác tài nguyên nước mặt (11 - 13 tỷ m³/năm) và cấp phép khai thác bền vững tầng nước dưới đất (85 triệu m³ trữ lượng tĩnh).
  • Đơn vị quản lý khai thác công trình thủy lợi và phòng chống thiên tai: Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn cùng các công ty thủy nông ứng dụng kết quả mô phỏng dòng chảy lũ và dòng chảy kiệt để xây dựng kịch bản ứng phó khẩn cấp, tối ưu hóa quy trình xả lũ an toàn và phân phối nước tưới hợp lý.
  • Cán bộ nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học: Các nhà khoa học thuộc chuyên ngành Thủy văn học, Kỹ thuật tài nguyên nước, Biến đổi khí hậu và GIS có thể tham khảo quy trình thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE SHE phân bố không gian với dữ liệu số độ cao DEM 30x30 m và thuật toán vi phân số PCG.
  • Các tổ chức quy hoạch phát triển nông nghiệp và lâm nghiệp: Các chuyên gia quy hoạch khai thác dữ liệu phân bố ẩm tầng rễ và bản đồ phân vùng 9 nhóm thổ nhưỡng để thiết kế cơ cấu cây trồng phù hợp, giảm thiểu rủi ro thiếu hụt ẩm trong điều kiện biến đổi khí hậu.

Câu hỏi thường gặp

  • Mô hình MIKE SHE có ưu điểm vượt trội gì so với các mô hình thủy văn truyền thống trên lưu vực sông La?
    MIKE SHE là mô hình phân bố dựa trên cơ sở vật lý hoàn chỉnh, mô phỏng đồng thời cả 4 quá trình thủy văn: bốc thoát hơi qua tán lá, dòng chảy tràn 2 chiều Saint-Venant, thấm qua đới chưa bão hòa 1 chiều Richards và dòng chảy ngầm 3 chiều Boussinesq. Nhờ đó, mô hình khắc phục được nhược điểm gộp chung thông số mặt đệm của các mô hình thông số tập trung, phản ánh chân thực hiện trạng dòng chảy trên diện tích 3.210 km² của lưu vực.

  • Dữ liệu đầu vào nào đóng vai trò quyết định đến độ chính xác khi thiết lập mô hình?
    Độ chính xác mô hình phụ thuộc chủ yếu vào bản đồ số độ cao DEM độ phân giải 30x30 m, chuỗi số liệu mưa phân bố theo không gian từ các trạm khí tượng thủy văn, bản đồ 9 nhóm thổ nhưỡng kèm thông số thấm của đất và bản đồ thảm phủ thực vật xác định chỉ số diện tích lá LAI cùng độ sâu rễ AROOT.

  • Mức độ chênh lệch dòng chảy giữa mùa lũ và mùa cạn trên lưu vực sông La diễn ra như thế nào?
    Sự phân bổ dòng chảy có sự phân hóa cực đoan sâu sắc: mùa lũ tập trung từ 75% đến 85% tổng lượng nước năm, gây ngập lụt diện rộng tại các vùng trũng thấp ven sông; trong khi mùa cạn chỉ chiếm từ 15% đến 25%, kết hợp gió phơn Tây Nam gây khô hạn kéo dài và xâm nhập mặn vùng hạ lưu.

  • Làm thế nào để ứng dụng kết quả mô phỏng độ ẩm tầng rễ vào thực tế sản xuất nông nghiệp?
    Kết quả phân bố ẩm tầng rễ trong các tháng 6 và 7 chỉ ra các vùng đất cát (chiếm 6,3%) và đất bạc màu (chiếm 0,7%) bị suy giảm độ ẩm nghiêm trọng dưới tác động của bốc hơi Piche đạt 180 - 200 mm/tháng. Dữ liệu này giúp cơ quan nông nghiệp xác định chính xác thời điểm và định mức tưới bổ sung cho cây trồng cạn.

  • Nghiên cứu có thể mở rộng tích hợp thêm các bài toán môi trường nào trong tương lai?
    Mô hình MIKE SHE đã thiết lập hoàn toàn có thể kích hoạt các mô-đun chất lượng nước WQ để mô phỏng quá trình lan truyền ô nhiễm phân tán, đánh giá xói mòn bồi lắng lòng dẫn hoặc tích hợp các kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng để dự báo diễn biến cân bằng nước đến năm 2050 và 2100.

Kết luận

  • Đã thiết lập thành công mô hình thủy văn phân bố MIKE SHE đánh giá toàn diện chu trình cân bằng nước tự nhiên trên lưu vực sông La (3.210 km²) trong chuỗi thời gian 9 năm (2000 – 2008).
  • Bộ thông số mô hình đạt độ tin cậy cao qua hai giai đoạn hiệu chỉnh (2002 – 2004) và kiểm định (2007 – 2008) tại các trạm Sơn Diệm và Hòa Duyệt với hệ số Nash-Sutcliffe đạt trên 0,75.
  • Định lượng chính xác tỷ lệ phân bố dòng chảy với trên 75% tập trung trong mùa lũ và khoảng 32% - 36% lượng mưa bị tiêu hao qua bốc thoát hơi nước thực tế.
  • Bóc tách thành công diễn biến ẩm tầng rễ và vai trò cấp nước mùa kiệt của tầng chứa nước ngầm có trữ lượng tĩnh 85 triệu m³, làm rõ tương tác thủy văn phức tạp trên nền địa hình 80% đồi núi.
  • Cung cấp cơ sở khoa học xác đáng phục vụ quản lý tổng hợp nguồn nước, điều hành an toàn 339 hồ chứa thủy lợi và đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo về tích hợp biến đổi khí hậu trong giai đoạn 2025 – 2030.