Luận án TS. Trần Khắc Thạc: Đề xuất vị trí cửa lấy nước vào Sông Đáy

Nghiên cứu đề xuất vị trí cửa lấy nước hợp lý vào sông Đáy, giải pháp đảm bảo lấy nước hiệu quả và tạo dòng chảy thường xuyên cho lưu vực.

• Tác giả: Trần Khắc Thạc
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Thị Hương Lan
• Trường học: Trường Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Thủy văn học
• Đề tài: Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn đề xuất vị trí hợp lý của cửa lấy nước vào sông Đáy đảm bảo yêu cầu cấp nước và tạo dòng chảy thường xuyên cho sông Đáy
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Vị trí cửa lấy nước Sông Đáy Thực trạng Tầm quan trọng

Sông Đáy, một chi lưu quan trọng của sông Hồng, đóng vai trò chiến lược trong việc phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường cho một vùng rộng lớn của Đồng bằng Bắc Bộ. Tuy nhiên, trong nhiều thập kỷ qua, dòng sông này đang đối mặt với nguy cơ "chết dần" do thiếu hụt nguồn nước. Nguyên nhân chính bắt nguồn từ việc xây dựng đập Đáy vào năm 1937, ngăn dòng chảy thường xuyên từ sông Hồng, khiến lòng sông bị bồi lấp nghiêm trọng. Để giải quyết vấn đề, cụm công trình cống Cẩm Đình – Hiệp Thuận được xây dựng và hoàn thành năm 2004 với nhiệm vụ lấy nước từ sông Hồng để khôi phục dòng chảy. Tuy nhiên, hiệu quả thực tế rất hạn chế. Nghiên cứu của Trần Khắc Thạc (2019) chỉ rõ: “Từ khi đưa vào vận hành đến nay việc dẫn nước sông Hồng qua cống Cẩm Đình vào kênh Cẩm Đình - Hiệp Thuận vào mùa kiệt hầu như không đảm bảo yêu cầu thiết kế và gần như không lấy được nước”. Tình trạng này càng trở nên trầm trọng hơn do tác động của biến đổi khí hậu và hoạt động khai thác thượng nguồn, làm suy giảm dòng chảy mùa kiệt sông Hồng. Mực nước tại Hà Nội có thời điểm xuống mức kỷ lục, gây khó khăn cho toàn bộ hệ thống công trình thủy lợi. Việc nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn để đề xuất vị trí cửa lấy nước Sông Đáy hợp lý không chỉ là một bài toán kỹ thuật mà còn là nhiệm vụ cấp bách để hồi sinh dòng sông, đảm bảo an ninh nguồn nước và ổn định sản xuất nông nghiệp. Một vị trí tối ưu sẽ giúp giải quyết các vấn đề cốt lõi như bồi lắng bùn cát, nâng cao khả năng lấy nước vào mùa khô và đảm bảo khả năng thoát lũ an toàn trong mùa mưa, phù hợp với định hướng của Chính phủ tại Nghị định 04/2011/NĐ-CP về việc xóa bỏ khu phân chậm lũ và làm sống lại sông Đáy.

1.1. Vai trò chiến lược của sông Đáy trong hệ thống thủy lợi

Sông Đáy có chiều dài 240km, chảy qua nhiều tỉnh thành trọng điểm của miền Bắc. Trước đây, nó là một phân lưu tự nhiên của sông Hồng, giúp điều tiết dòng chảy và cung cấp nước tưới tiêu. Tuy nhiên, sau khi đập Đáy được xây dựng, chức năng này gần như mất đi. Mục tiêu hiện nay là khôi phục lại vai trò đó, biến sông Đáy thành một trục cấp nước chính, đặc biệt là cấp nước cho nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt. Theo quy hoạch, sông Đáy cần được cấp nước thường xuyên từ sông Hồng với lưu lượng mùa kiệt từ 30-100m³/s và mùa lũ từ 500-800m³/s. Đồng thời, nó còn có nhiệm vụ phân lũ cho sông Hồng khi có lũ lớn, với khả năng chuyển tải lên tới 2.500m³/s. Việc lựa chọn đúng vị trí cửa lấy nước Sông Đáy là yếu tố quyết định để hiện thực hóa vai trò chiến lược này, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định và hiệu quả.

1.2. Tổng quan các nghiên cứu về công trình lấy nước trên sông

Các nghiên cứu trên thế giới và trong nước đã chỉ ra nhiều thách thức chung đối với các công trình lấy nước trên sông, đặc biệt là các sông có hàm lượng phù sa lớn như sông Hồng. Vấn đề chính là bồi lắng bùn cát tại khu vực cửa vào, làm giảm khả năng lấy nước và tăng chi phí nạo vét, duy tu. Nhiều công trình nghiên cứu đã tập trung vào các giải pháp như xây tường hướng dòng, bể lắng cát hay điều chỉnh góc lấy nước. Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam thường sử dụng mô hình 1D hoặc 2D, chưa mô phỏng chi tiết được dòng chảy phân tầng (dòng dị trọng), một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự vận chuyển bùn cát lơ lửng và bùn cát đáy. Luận án của Trần Khắc Thạc đã chỉ ra tồn tại này và định hướng sử dụng các công cụ mô phỏng hiện đại hơn để đánh giá toàn diện, từ đó tìm ra vị trí tối ưu.

II. Thách thức lớn khi chọn vị trí cửa lấy nước Sông Đáy tối ưu

Việc lựa chọn vị trí cửa lấy nước Sông Đáy phải đối mặt với hai thách thức lớn và mâu thuẫn lẫn nhau: đảm bảo lấy đủ nước trong mùa kiệt và không cản trở khả năng thoát lũ trong mùa mưa. Hiện trạng cống Cẩm Đình là một minh chứng rõ ràng cho những khó khăn này. Công trình được thiết kế với lưu lượng lớn nhưng thực tế gần như không hoạt động hiệu quả vào mùa khô. Nguyên nhân chính là do diễn biến lòng dẫn sông Hồng khu vực này rất phức tạp. Lòng sông liên tục bị xói lở và bồi tụ, tạo ra các bãi bồi lớn ngay trước cửa cống, ngăn cản dòng chảy vào kênh. Đặc biệt, hiện tượng suy giảm dòng chảy mùa kiệt sông Hồng đã làm mực nước hạ thấp nghiêm trọng. Có những năm mực nước tại Hà Nội chỉ còn +0,1m, thấp hơn rất nhiều so với cao trình ngưỡng cống. Điều này khiến việc lấy nước tự chảy trở nên bất khả thi. Thêm vào đó, đặc điểm bùn cát sông Hồng với hàm lượng phù sa cao là một yếu tố gây khó khăn thường trực. Bùn cát lơ lửng dễ dàng đi vào kênh dẫn và lắng đọng, làm giảm khả năng tải nước của kênh Cẩm Đình - Hiệp Thuận. Theo khảo sát, lòng kênh đã bị bồi lắng trung bình 1,03m so với thiết kế chỉ sau một thời gian ngắn vận hành. Những thách thức này đòi hỏi một phương pháp tiếp cận khoa học, không chỉ dựa vào kinh nghiệm mà phải dựa trên các mô hình tính toán chính xác để dự báo được diễn biến lòng dẫn và tối ưu hóa vị trí công trình.

2.1. Phân tích hiện tượng bồi lắng bùn cát tại cống Cẩm Đình

Hiện tượng bồi lắng bùn cát là nguyên nhân trực tiếp làm giảm hiệu quả của cống Cẩm Đình. Quá trình này xảy ra chủ yếu vào mùa lũ, khi sông Hồng mang theo một lượng phù sa khổng lồ. Dòng chảy khi vào khu vực cửa cống bị giảm tốc đột ngột, tạo điều kiện cho bùn cát lắng đọng và hình thành các bãi bồi. Các nghiên cứu trước đây tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã chỉ ra rằng, khu vực thượng lưu cống Cẩm Đình xuất hiện hố xói sâu nhưng ngay tại cửa cống lại bồi cao thêm tới 2m. Vị trí đặt cống hiện tại và góc lấy nước chưa hợp lý đã góp phần làm trầm trọng thêm vấn đề. Dòng chủ lưu có xu hướng đi xa bờ, trong khi vùng nước gần cửa cống lại là vùng có vận tốc thấp, tạo thành một “vùng chết” cho bùn cát tích tụ. Việc giải quyết triệt để vấn đề này đòi hỏi phải thay đổi vị trí hoặc có các giải pháp công trình can thiệp mạnh mẽ vào chế độ thủy động lực khu vực.

2.2. Ảnh hưởng của suy giảm dòng chảy mùa kiệt trên sông Hồng

Suy giảm dòng chảy mùa kiệt là một thách thức mang tính hệ thống, ảnh hưởng đến tất cả các công trình lấy nước ven sông Hồng. Việc các hồ chứa thủy điện ở thượng nguồn đi vào hoạt động đã làm thay đổi đáng kể chế độ dòng chảy. Lưu lượng nước về hạ du vào mùa khô giảm mạnh, dẫn đến mực nước sông hạ thấp kỷ lục. Đối với cống Cẩm Đình, cao trình ngưỡng cống tầng dưới là +3,0m. Khi mực nước sông Hồng xuống dưới mức này, việc lấy nước tự chảy là không thể. Thực tế cho thấy, trong nhiều năm gần đây, mực nước thường xuyên duy trì ở mức thấp hơn thiết kế. Nghiên cứu chỉ ra rằng, ngay cả khi các hồ thủy điện xả nước tăng cường để phục vụ đổ ải, mực nước dâng lên cũng không đủ để cải thiện tình hình một cách bền vững. Do đó, việc xác định một vị trí cửa lấy nước mới phải tính đến yếu tố này, ưu tiên những đoạn sông có lòng dẫn sâu và ổn định hơn ngay cả trong điều kiện kiệt nước nhất.

III. Phương pháp khoa học xác định vị trí cửa lấy nước tối ưu

Để khắc phục những hạn chế của các nghiên cứu trước đây và đưa ra một đề xuất có cơ sở khoa học vững chắc, luận án của Trần Khắc Thạc đã áp dụng một phương pháp tiếp cận hệ thống và hiện đại. Thay vì chỉ dựa trên các quan sát thực địa hay các mô hình đơn giản, nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng một bộ tiêu chí toàn diện và sử dụng các công cụ mô hình toán tiên tiến. Cách tiếp cận này cho phép lượng hóa và đánh giá khách quan hiệu quả của các phương án vị trí khác nhau. Nền tảng của phương pháp là sự kết hợp giữa lý thuyết thủy động lực và phân tích thực tiễn. Nghiên cứu đã kế thừa kết quả từ nhiều đề tài cấp nhà nước và cấp bộ, đồng thời thu thập, cập nhật các số liệu địa hình, thủy văn mới nhất để đảm bảo độ chính xác cho mô hình. Đặc biệt, nghiên cứu đã chú trọng đến lý thuyết dòng chảy phân tầng (dòng dị trọng), một yếu tố thường bị bỏ qua nhưng lại có vai trò quyết định trong việc vận chuyển và lắng đọng bùn cát tại khu vực cửa lấy nước. Việc hiểu rõ cơ chế này giúp đưa ra các tiêu chí lựa chọn vị trí không chỉ đảm bảo về lưu lượng nước lấy vào mà còn cả về chất lượng nước, hạn chế tối đa lượng bùn cát có hại xâm nhập vào hệ thống kênh. Phương pháp này mang lại một cái nhìn sâu sắc và đa chiều, làm cơ sở khoa học cho việc quy hoạch và thiết kế cửa lấy nước sông Đáy.

3.1. Xây dựng bộ tiêu chí lựa chọn vị trí lấy nước hiệu quả

Một trong những đóng góp quan trọng của nghiên cứu là việc đề xuất một bộ tiêu chí cụ thể để xác định vị trí cửa lấy nước hợp lý. Các tiêu chí này không chỉ bao gồm các yếu tố thủy lực truyền thống mà còn tích hợp các yếu tố về hình thái sông và diễn biến lòng dẫn. Các tiêu chí chính bao gồm: 1) Vị trí phải nằm ở đoạn sông cong, phía bờ lõm để tận dụng dòng chảy có vận tốc lớn và chiều sâu đủ; 2) Góc lấy nước tối ưu (nghiên cứu đề xuất các góc khác nhau để so sánh); 3) Chiều dài và độ dốc kênh dẫn phải hợp lý để vừa đảm bảo khả năng tải nước, vừa hạn chế bồi lắng; 4) Vị trí phải ổn định về mặt địa chất, tránh các khu vực có nguy cơ xói lở cao; 5) Hạn chế tối đa lượng bùn cát đáy đi vào công trình. Bảng 2.1 trong luận án đã hệ thống hóa các tiêu chí này thành một công cụ đánh giá khoa học, giúp so sánh và lựa chọn phương án tối ưu nhất.

3.2. Cơ sở lý thuyết về dòng chảy phân tầng tại cửa lấy nước

Dòng chảy tại khu vực cửa lấy nước không đồng nhất. Lớp nước mặt thường có nồng độ bùn cát lơ lửng thấp hơn so với lớp nước tầng đáy, nơi có nồng độ bùn cát cao hơn và có cả sự di chuyển của bùn cát đáy. Đây được gọi là dòng chảy phân tầng hay dòng dị trọng. Hiểu và mô phỏng được hiện tượng này là chìa khóa để thiết kế một cửa lấy nước hiệu quả, có khả năng “lấy nước trong, gạt nước đục”. Nghiên cứu đã áp dụng các hệ phương trình cơ bản về dòng phân tầng, bao gồm phương trình chuyển động, phương trình liên tục và phương trình hoàn lưu. Việc này đòi hỏi phải sử dụng các mô hình toán 3D (ba chiều), có khả năng mô phỏng dòng chảy theo từng lớp chiều sâu, điều mà các mô hình 1D và 2D không thể làm được. Đây là một bước tiến quan trọng trong phương pháp luận nghiên cứu, giúp nâng cao độ tin cậy của các kết quả dự báo.

IV. Ứng dụng mô hình MIKE3FM nghiên cứu vị trí cửa lấy nước

Điểm nổi bật trong phương pháp nghiên cứu là việc sử dụng bộ mô hình MIKE của DHI, đặc biệt là mô hình MIKE3FM. Đây là một mô hình thủy động lực 3 chiều mạnh mẽ, cho phép mô phỏng chi tiết chế độ dòng chảy, vận chuyển bùn cát và diễn biến lòng dẫn với độ chính xác cao. Việc áp dụng mô hình này là một bước đột phá so với các nghiên cứu trước đây thường chỉ dừng lại ở mô hình 1D (MIKE 11) hoặc 2D. Mô hình MIKE3FM được thiết lập cho đoạn sông Hồng dài 27km, bao trùm toàn bộ khu vực cửa vào sông Đáy. Các dữ liệu đầu vào quan trọng như địa hình lòng sông, đặc tính bùn cát, và các số liệu thủy văn (lưu lượng, mực nước) được thu thập và cập nhật đầy đủ. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định cẩn thận dựa trên các số liệu thực đo từ các trận lũ và mùa kiệt trong quá khứ, đảm bảo kết quả mô phỏng phản ánh trung thực điều kiện tự nhiên. Với công cụ này, nghiên cứu đã xây dựng và chạy nhiều kịch bản khác nhau, tương ứng với các vị trí cửa lấy nước Sông Đáy tiềm năng. Mỗi kịch bản được đánh giá dựa trên bộ tiêu chí đã xây dựng, tập trung vào hai mục tiêu chính: khả năng lấy nước trong mùa kiệt và mức độ bồi lắng bùn cát tại cửa vào. Quá trình mô phỏng này cung cấp những bằng chứng khoa học định lượng, giúp so sánh và lựa chọn phương án hiệu quả nhất.

4.1. Thiết lập mô hình mô phỏng thủy động lực và bùn cát

Quá trình thiết lập mô hình bao gồm nhiều bước phức tạp. Đầu tiên là xác định phạm vi và tạo lưới tính toán. Lưới tính toán của MIKE3FM là lưới linh hoạt (flexible mesh), cho phép làm mịn ở những khu vực cần độ chi tiết cao như khu vực cửa cống và làm thô ở những khu vực ít quan trọng hơn, giúp tối ưu hóa thời gian tính toán. Tiếp theo, dữ liệu địa hình chi tiết được nhập vào mô hình để tái tạo lại hình dạng lòng sông. Các công trình như cống Cẩm Đình và kênh dẫn cũng được định nghĩa trong mô hình. Biên của mô hình được thiết lập dựa trên chuỗi số liệu lưu lượng, mực nước và hàm lượng bùn cát tại các trạm thủy văn như Sơn Tây và Hà Nội. Các thông số về bùn cát (kích thước hạt, tốc độ lún) được xác định từ các mẫu thực tế. Sau khi thiết lập, mô hình được chạy hiệu chỉnh với các trận lũ lịch sử (ví dụ trận lũ năm 1996) để tinh chỉnh các tham số, đảm bảo kết quả tính toán phù hợp với số liệu thực đo.

4.2. Kịch bản mô phỏng diễn biến lòng dẫn theo các vị trí

Nghiên cứu đã xem xét một số vị trí lấy nước khác nhau để so sánh. Kịch bản cơ sở là vị trí cống Cẩm Đình hiện trạng (Vị trí 1). Các kịch bản đề xuất bao gồm một vị trí mới cách cống cũ 600m về phía hạ lưu (Vị trí 2) và một vị trí khác tại khu vực Hát Môn (Vị trí 3). Mỗi kịch bản được mô phỏng trong các điều kiện thủy văn khác nhau, bao gồm cả điều kiện dòng chảy mùa kiệt điển hình (năm 2003-2004) và điều kiện lũ. Các kết quả đầu ra của mô hình được phân tích chi tiết, bao gồm trường vận tốc dòng chảy, phân bố nồng độ bùn cát, và sự thay đổi cao trình lòng dẫn (xói/bồi) theo thời gian. Việc so sánh các kịch bản này cho phép đánh giá một cách định lượng về ưu, nhược điểm của từng vị trí, từ đó tìm ra phương án tối ưu nhất cho việc xây dựng cửa lấy nước sông Đáy.

V. Kết quả đề xuất vị trí cửa lấy nước Sông Đáy hợp lý nhất

Sau quá trình mô phỏng và phân tích đa kịch bản bằng mô hình MIKE3FM, nghiên cứu đã đưa ra những kết luận quan trọng về vị trí cửa lấy nước Sông Đáy tối ưu. Kết quả tính toán cho thấy vị trí cống Cẩm Đình hiện trạng gặp rất nhiều bất lợi. Khu vực này có xu hướng bồi lắng bùn cát mạnh, đặc biệt là trong mùa lũ, tạo thành các bãi bồi cản trở dòng chảy vào mùa kiệt. Các kịch bản di chuyển vị trí cửa lấy nước đến những đoạn sông có điều kiện hình thái thuận lợi hơn đã cho thấy hiệu quả vượt trội. Cụ thể, vị trí đề xuất tại Hát Môn (Vị trí 3) hoặc vị trí cách cống cũ 600m về hạ lưu (Vị trí 2) đều cho thấy khả năng lấy nước trong mùa kiệt được cải thiện đáng kể. Nguyên nhân là do các vị trí này nằm gần dòng chủ lưu hơn, nơi có vận tốc dòng chảy lớn giúp tự làm sạch, hạn chế sự lắng đọng của bùn cát. Phân tích định lượng từ Bảng 3.11 trong luận án cho thấy, khả năng lấy nước tại các vị trí mới có thể tăng lên đáng kể so với hiện trạng, đáp ứng được yêu cầu cấp nước từ 30-100m³/s. Đồng thời, lượng bùn cát xâm nhập vào kênh dẫn cũng giảm đi, giúp giảm chi phí duy tu, bảo dưỡng công trình. Những kết quả này cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho các nhà hoạch định chính sách và các đơn vị thiết kế trong việc lựa chọn giải pháp cuối cùng.

5.1. Đánh giá khả năng lấy nước và thoát lũ của các phương án

Kết quả so sánh các phương án cho thấy sự khác biệt rõ rệt. Đối với khả năng lấy nước mùa kiệt, vị trí hiện trạng của cống Cẩm Đình gần như không thể lấy đủ lưu lượng yêu cầu khi mực nước sông Hồng xuống thấp. Trong khi đó, các vị trí đề xuất mới, đặc biệt là vị trí tại Hát Môn, cho thấy khả năng duy trì dòng chảy vào cống ổn định hơn. Về khả năng thoát lũ, mô hình cũng được sử dụng để kiểm tra xem việc xây dựng công trình mới có gây ảnh hưởng tiêu cực đến mực nước lũ hay không. Kết quả cho thấy, với thiết kế hợp lý, các vị trí mới không làm gia tăng đáng kể mực nước lũ trên sông Hồng, đảm bảo an toàn cho khu vực Hà Nội. Việc đánh giá song song hai tiêu chí quan trọng này giúp lựa chọn được một phương án cân bằng, vừa hiệu quả về mặt cấp nước, vừa an toàn về mặt phòng chống lũ lụt.

5.2. Vị trí tối ưu giảm thiểu bồi lắng và đảm bảo lưu lượng

Dựa trên tổng hợp các kết quả phân tích, nghiên cứu đã kiến nghị vị trí tối ưu cho cửa lấy nước Sông Đáy là tại khu vực Hát Môn. Vị trí này có lợi thế nằm ở đoạn sông cong, bờ lõm, nơi có diễn biến lòng dẫn tương đối ổn định và dòng chảy sâu. Mô phỏng cho thấy tại đây, dòng chủ lưu của sông Hồng áp sát bờ, tạo ra vận tốc lớn có khả năng đẩy bùn cát ra xa và hạn chế bồi lắng ngay tại cửa vào. Ngoài ra, việc đặt cống tại đây cũng phù hợp với tuyến kênh dẫn đã được quy hoạch, giúp tối ưu hóa chi phí xây dựng. Vị trí này được chứng minh là có thể đảm bảo được lưu lượng lấy nước cần thiết ngay cả trong những năm kiệt nước, đồng thời giảm thiểu lượng bùn cát vào kênh, góp phần làm cho hệ thống hoạt động bền vững và lâu dài.

VI. Các giải pháp tối ưu nâng cao hiệu quả cửa lấy nước Sông Đáy

Bên cạnh việc đề xuất vị trí tối ưu, nghiên cứu còn đưa ra một hệ thống các giải pháp công trình và phi công trình đồng bộ nhằm nâng cao toàn diện hiệu quả lấy nước và thoát lũ cho khu vực cửa vào sông Đáy. Các giải pháp này không chỉ tập trung vào công trình đầu mối mà còn xem xét đến sự vận hành của toàn hệ thống, từ thượng nguồn sông Hồng đến lòng dẫn sông Đáy. Việc lựa chọn vị trí tốt mới chỉ là điều kiện cần; để hệ thống hoạt động hiệu quả, cần phải có các giải pháp kỹ thuật và quản lý đi kèm. Các giải pháp công trình bao gồm việc thiết kế lại kết cấu cửa vào, xây dựng các công trình chỉnh trị như kè hướng dòng, mỏ hàn để ổn định lòng sông và hướng dòng chảy có lợi cho việc lấy nước. Đồng thời, việc nạo vét, cải tạo tuyến kênh dẫn Cẩm Đình - Hiệp Thuận và lòng dẫn sông Đáy cũng là một yêu cầu cấp thiết. Về giải pháp phi công trình, nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xây dựng một quy trình vận hành liên hồ chứa ở thượng nguồn một cách khoa học và hợp lý. Việc điều tiết xả nước từ các hồ thủy điện cần được phối hợp chặt chẽ với nhu cầu dùng nước ở hạ du, đặc biệt là trong mùa kiệt, để duy trì một dòng chảy tối thiểu trên sông Hồng. Sự kết hợp hài hòa giữa các giải pháp này sẽ tạo ra một hệ thống thủy lợi bền vững, đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường.

6.1. Kiến nghị giải pháp công trình và phi công trình cụ thể

Về giải pháp công trình, luận án đề xuất cụ thể việc xây dựng cống lấy nước mới tại vị trí đã chọn với thiết kế 2 tầng cửa để linh hoạt trong vận hành giữa mùa lũ và mùa kiệt. Kèm theo đó là hệ thống kè bảo vệ bờ và các mỏ hàn để chủ động hướng dòng chảy, ngăn chặn xói lở và bồi tụ bất lợi. Cải tạo kênh dẫn và lòng sông Đáy đoạn từ đập Đáy đến Ba Thá là bắt buộc để tăng khả năng thoát nước. Về giải pháp phi công trình, cần có sự phối hợp liên ngành để xây dựng quy trình vận hành tối ưu cho các hồ chứa lớn như Hòa Bình, Sơn La, Tuyên Quang. Quy trình này phải ưu tiên mục tiêu cấp nước cho hạ du trong mùa khô. Ngoài ra, việc tăng cường công tác quan trắc, dự báo diễn biến lòng dẫn và chất lượng nước cũng rất quan trọng để có những điều chỉnh vận hành kịp thời, nâng cao hiệu quả của toàn hệ thống.

6.2. Hướng nghiên cứu tương lai cho hệ thống thủy lợi sông Đáy

Kết quả của luận án là một tài liệu tham khảo quan trọng, nhưng việc quản lý và phát triển hệ thống thủy lợi sông Đáy vẫn cần những nghiên cứu tiếp theo. Hướng nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc mô hình hóa đồng bộ toàn bộ hệ thống, kết nối mô hình sông Hồng và sông Đáy để đánh giá tác động qua lại một cách toàn diện. Cần nghiên cứu sâu hơn về tác động của biến đổi khí hậu đến nguồn nước và chế độ dòng chảy để xây dựng các kịch bản ứng phó dài hạn. Ngoài ra, việc nghiên cứu các giải pháp công trình thân thiện với môi trường, kết hợp giữa mục tiêu thủy lợi và bảo tồn cảnh quan, hệ sinh thái cũng là một hướng đi cần thiết. Việc ứng dụng các công nghệ mới như viễn thám, trí tuệ nhân tạo (AI) trong việc giám sát và dự báo diễn biến lòng dẫn sẽ giúp công tác quản lý trở nên chủ động và hiệu quả hơn, đảm bảo sự phát triển bền vững cho lưu vực sông Đáy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG TRÌNH LẤY NƯỚC TRÊN SÔNG 1.1 Các nghiên cứu trên thế giới Ở nước ta cũng như một số nước trên thế giới đã xây dựng nhiều CTLN trên sông. Các nước đi đầu trong công cuộc xây dựng các hệ thốngCTLN phải kể đến như: Nga, Hà Lan, Trung Quốc, Nhật Bản,… Trung Quốc có trên 55 triệu cống, trạm bơm lớn nhỏ đảm nhận việc tưới tiêu cho hơn 6 triệu ha đấtnông nghiệp.Cáctrạmbơmlớnphải kể đến như: Jiangdu, Yingquan, Tao Dam Niyaz Yingshang, Yingshang Three Mile,…Tuy nhiên trong những năm gần đây hiệu quả hoạt động của các trạm bơm, cống lấy nước không cao gây hạn hán và lãng phí điện. Nga, Mỹ, Nhật cũng là những nước có nhiều hệ thống lấy nước đang hoạt động phục vụ cho nông nghiệp và sinh hoạt. CTLN được xây dựng để lấy nước từ sông, hồ chứa vào các hệ thống công trình thủy lợi kênh, mươngphục vụ các yêu cầu phát triển kinh tế xã hội như: tưới, phát điện, cung cấp nước sinh hoạt, công nghiệp, du lịch, cải tạo môi trường cảnh quan.

Tùy thuộc vào từng điều kiện thực tế về địa hình lưu vực, hình dạng của sông cũng như yêu cầu lấy nước để thiết kế các CTLN khác nhau. Có rất nhiều các nghiên cứu về các công trình lấy nước trên thế giới như Ramamurthy, A. Cụ thể các nội dung nghiên cứu của các nhà khoa học này tập trung vào các vấn đề sau: 1.1 Về nghiên cứu phân loại các CTLN Avery, P(1989)[1] đã phân loại các CTLN như sau: CTLN bên cạnh là các CTLN có phương của dòng chảy vào CTLN hợp với phương của dòng chảy trong sông chính một góc xấp xỉ 900; CTLN chính diện là CTLN có phương của dòng chảy vào công trình lấy nước gần như song song với phương của dòng chảy trong sông chính; CTLN có đập; CTLN không đập; CTLN có cửa điều tiết, CTLN không có cửa điều tiết. 8 GTZ(1989) [2] phân loại cửa lấy nước theo cửa lấy nước ở bên (Lateral Intake) có hoặc không có đập dâng; cửa lấy dạng Chi Rôn/ở đáy (Tyrolean/Bottom Intake) và chỉ ra các yêu cầu đối với CTLN: Lấy đủ nước theo biểu đồ đã định (số lượng); Đảm bảo chất lượng nước lấy vào kênh (ngăn bùn cát có thô, vật nổi); Kiểm soát được ảnh hưởng đến môi trường chung; Các yêu cầu chung khác: ổn định, thuận tiện thi công, quản lý, tạo cảnh quan hài hòa, giữ gìn bảo vệ môi trường, phát triển du lịch, sử dụng tổng hợp nguồn nước, có kết cấu đơn giản và giá thành hợp lý.

Abbasi (2003)[4]phân loại cửa lấy nước theo cửa lấy nước bao gồm cửa lấy nước có đập dâng; cửa lấy nước ở đáy. Cửa lấy nước có đập dâng thường bao gồm 2 bộ phận chính, đập dâng và cửa lấy nước, trong đó đập dâng có nhiệm vụ dâng mực nước đảm bảo một mực nước tối thiểu ở thương lưu đập dâng và cho phép lấy một lượng nước Qp từ sông trong bất kỳ thời kỳ nào. Cửa lấy nước ở đáy chỉ thích hợp cho những sông ở vùng đồi núi có độ dốc cao từ 1% đến 10%. Tại những đọan sông này, tốc độ dòng chảy lớn dẫn đến bùn cát đáy tương đối thô nên các hạt không thể lọt qua các khe chắn rác ở cửa lấy nước.Cửa lấy nước loại này thường được thiết kế cắt ngang qua sông và được bao phủ bởi một tấm sàng hoặc tấm phẳng được đục lỗ.

Các tấm sàng thường được thiết kế có khả năng tự lọc, tuy nhiên trên thực tế thường khó đảm bảo như thiết kế.2 Về nghiên cứu diễn biễn bồi lắng đoạn sông cửa vào CTLN: Qua phân tích các nghiên cứu trên thế giới cho thấy, hiện nay để nghiên cứu đánh giá diễn biến lòng dẫn nói chung và khu vực cửa lấy nước nói riêng thường thực hiện theo 4 phương pháp như sau: - (1) Phương pháp đo đạc, thu thập phân tích các tài liệu thực đo: Sử dụng các tài liệu về địa hình, các tài liệu không ảnh, viễn thám, các số liệu có được trong nhiều năm tiến hành phân tích vị trí, quy mô, tốc độ xói, bồi trên mặt bằng, trên mặt cắt dọc, mặt cắt ngang, tìm ra quy luật thống kê và xu thế phát triển của đoạn sông nghiên cứu. Đối với phương pháp này cần có những thiết bị đo đạc hiện đại, nhanh chóng chính xác. Xác định được trường vận tốc dòng chảy ở các độ sâu khác nhau, xác định được độ sâu lòng dẫn theo các tọa độ địa lý mong muốn tuy nhiên đòi hỏi đầu tư về thời gian, kinh phí thực hiện. 9 - (2) Phương pháp công thức kinh nghiệm: Từ những số liệu thực tế đo đạc hiện trường và trong phòng thí nghiệm thiết lập các công thức kinh nghiệm và bán kinh nghiệm để sử dụng các công thức kinh nghiệm để tính toán diễn biến lòng dẫn.

Phương pháp này đơn giản nhưng áp dụng cho từng trường hợp cụ thể. - (3) Phương pháp mô hình vật lý: Mô phỏng thu nhỏ đoạn sông nghiên cứu lại trong một khu vực có trang thiết bị thí nghiệm, tái diễn dòng chảy trong sông thiên nhiên theo các định luật tương tự để quan sát, đo đạc và từ các số liệu đo đạc tìm ra quy luật diễn biến của đoạn sông. Phương pháp mô hình vật lý có hạn chế là rất khó thỏa mãn các điều kiện tương tự, nhất là các điều kiện tương tự về bùn cát nên có thể có những sai lệch nhất định giữa mô hình và nguyên hình, đặc biệt trong điều kiện nước ta các nghiên cứu mới dừng ở mức mô phỏng xu thế diễn biến, chưa lượng hóa được diễn biến vận chuyển và bồi lắng bùn cát đặc biệt khu vực cửa lấy nước như thế nào. Mặt khác chi phí xây dựng mô hình vật lý rất lớn, khó đáp ứng trong điều kiện của Việt Nam, đặc biệt trong nghiên cứu thực hiện luận án.

- (4) Phương pháp mô hình toán: Dựa vào các hệ phương trình toán mô tả quy luật của dòng chảy và bùn cát tại đoạn sông nghiên cứu, xác định các điều kiện biên, điều kiện ban đầu hợp lý, tìm các lời giải giải tích, lời giải số trị cho các vấn đề nghiên cứu. Phương pháp này, với sự giúp đỡ của máy tính điện tử đã cho phép mô tả những gì xảy ra trong quá khứ, những gì xảy ra trong tương lai với những điều kiện thay đổi theo các kịch bản khác nhau, nhưng phương pháp này chỉ có độ tin cậy khi số liệu đầu vào phải có đủ độ tin cậy. và nnk (2002)[5] đã nghiên cứu điều tra thực địa, đánh giá bồi lắng bùn cát tại các kênh dẫn nước vào các trạm bơm lấy nước ven sông ở vùng South Africa, nơi việc lấy nước từ sông gặp nhiều trở ngại do vấn đề bồi lắng, do các kênh dẫn nước thường nhỏ hơn sông rất nhiều lần. Việc đưa ra các giải pháp giảm thiểu bồi lắng tại cửa hút cho các trạm bơm là cần thiết.

Mehdi Karami Moghadam(2010)[6] đã nghiên cứu chế độ thủy động lực và vận chuyển bùn cát của sông Ohio ảnh hưởng đến cống lấy nước trên cơ sở sử dụng mô hình vật lý.Trong nghiên cứu này, kênh lấy nước hợp với kênh chính một góc 30 o sẽ 10 cho kết quả tốt nhất về việc lấy nước với lưu lượng lớn nhất và hàm lượng bùn cát là nhỏ nhất. Tuy nhiên nghiên cứu hạn chế cho tính toán với dòng chảy có hệ số Froude từ 0,35 đến 0,4 và không tính toán cho dòng chảy kiệt.S và nnk(1999)[7] đã sử dụng mô hình số trị 3D để mô phỏng dòng chảy đoạn ngay cửa vào cống lấy nước. Sử dụng phương trình Navier-Stokes trong đó xem xét hệ số Reynolds trung bình với mô hình rối của Wilcox, trong đó xem xét dòng chảy tại kênh hở chữ T. Moussa (2010) [8]áp dụng mô hình 2-D (CCHE2D) phân tích và giải quyết vấn đề bồi lắng tại của lấy nước của trạm bơm Rowd El-Farag.

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng có sự thay đổi về mặt hình thái theothời gian do lượng bùn cát bị bồi lắng tại khu vực cửa lấy nước vào trạm bơm. Phương trình được giải theo phương pháp phần tử hữu hạn. Các kết quả cho thấy giá trị lưu lượng vào kênh dẫn CTLN phụ thuộc vào chiều dài và chiều rộng của kênh dẫn lấy nước. Elmoustafa (2011) [10]đã sử dụng mô hình thủy lực 2-D (RMA2) để đánh giá vị trí lấy nước thích hợp bên bờ Tây sông Nile ở Assuit.

Tuy nhiên, mô hình mô phỏng theo lưới chữ nhật với độ phân giải thô 20x20m, vì vậy không mô phỏng chi tiết được công trình lấy nước như nào trong mô hình. Shahidanvà nnk (2012)[11] đã nghiên cứu ứng dụng mô hình HEC-RAS và mô hình CCHE2D để mô phỏng dòng chảy và diễn biến lòng dẫn khu vực cửa lấy nước Ijok trên sông Ijok của Malaysia. Kết quả từ mô hình HEC-RAS đã được sử dụng như là đầu vào cho mô hình CCHE2D.Kết quả cho thấy lưu lượng dòng chảy ảnh hưởng đến phân phối và sự tích tụ trầm tích khu vực nghiên cứu.Vận tốc dòng chảy ở phía trước của cửa lấy nước nhỏ có thể góp phần tích tụ bùn cát và gây nên những bãi bồi trước cửa lấy nước, làm giảm khả năng lấy nước của kênh dẫn.Asharivà nnk(2015)[12] đã tính toán phân bố vận tốc tại cửa lấy nước theo phương pháp khối lượng hữu hạn, kết quả so sánh với thí nghiệm là khá hợp lý.Dòng chảy được mô phỏng trong kênh hình chữ nhật và phương trình Navier-Stokes được giải bằng phương pháp khối lượng hữu hạn (FVM).Các tính toán dòng chảy đã được thực hiện trong mô hình ba chiều bằng cách sử dụng K-ε-RNG và các mô hình rối K-ε- tiêu chuẩn. Martin (2015)đã xây dựng mô hình thủy động lực học 2D tính toán chế độ dòng chảy tại khu vực cửa vào cửa lấy nước ở British Columbia.

Các kết quả của nghiên cứu mô hình số 2D này cho thấy nếu bổ sung một cửa cống thứ hai ở phía cuối của đập dẫn dòng có thể tăng vận tốc ở vị trí cửa vào cống lấy nước, tăng cường sự vận chuyển bùn cát ở khu vực đó. Khi cả hai phía bắc và phía nam cống được mở, vận tốc ở khu vực phía nam của cửa lấy nước tăng lên nhiều so với mô hình hiện trạng. (2006):Đã có những nghiên cứu về diễn biến lòng dẫn và các giải pháp chỉnh trị ổn định lòng dẫn trên sông Rhine. Sông Rhine dài 3200km và có diện tích lưu vực là 185.

Có rất nhiều các biện pháp kiểm soát lũ, tăng khả năng thoát lũ được thực hiện như xây dựng hệ thống đê, nạo vét lòng dẫn tăng khả năng thoát lũ, các công trình thoát lũ thông qua việc tạo dòng mới ở phía thượng lưu.