Luận án tiến sĩ Thủy văn học: Phân bổ hợp lý nguồn nước mặt lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn

Quản lý tổng hợp tài nguyên nước lưu vực sông là nguyên tắc then chốt trong điều phối dòng chảy. Phương pháp này xem xét lưu vực như một thực thể tự nhiên thống nhất, không bị chia cắt bởi ranh giới hành chính. Mọi hoạt động khai thác ở thượng nguồn đều tác động trực tiếp đến hạ lưu. Nghiên cứu tích hợp các yếu tố thủy văn, kinh tế, xã hội và môi trường vào một hệ thống thống nhất. Khung pháp lý dựa trên Luật Tài nguyên nước và các chiến lược quản lý cấp quốc gia. Cơ chế điều phối liên tỉnh giữa Quảng Nam và Đà Nẵng được chuẩn hóa theo quy chuẩn khoa học. Việc tiếp cận tổng hợp giúp kiểm soát dung tích trữ của các hồ, điều tiết dòng chảy và hạn chế suy thoái nguồn nước. Phương pháp này thiết lập nền tảng bền vững cho quản trị nước hiện đại.

Cân bằng nước mặt lưu vực sông Vu Gia Thu Bồn phản ánh sự chênh lệch lớn giữa mùa lũ và mùa cạn. Lượng mưa tập trung chủ yếu từ tháng 9 đến tháng 12, chiếm hơn 70% tổng lượng nước năm. Mùa cạn từ tháng 1 đến tháng 8 thường xuyên xảy ra tình trạng thiếu hụt cục bộ. Tổng nhu cầu nước cho nông nghiệp, thủy điện và cấp sinh hoạt vượt quá khả năng tự điều tiết tự nhiên. Nghiên cứu tính toán chi tiết cán cân nước cho từng tiểu lưu vực và từng tháng trong năm. Kết quả chỉ ra các điểm nút căng thẳng nước nghiêm trọng tại khu vực hạ du Ái Nghĩa và Cẩm Lệ. Đánh giá cân bằng nước cung cấp cơ sở định lượng để xác định hạn ngạch xả nước từ các hồ chứa thượng nguồn.

An ninh nguồn nước mặt mùa cạn tại hạ du Vu Gia - Thu Bồn đối mặt nhiều áp lực lớn. Biến đổi khí hậu làm gia tăng tần suất các đợt hạn hán kéo dài và cực đoan. Nguồn nước cấp cho sinh hoạt của thành phố Đà Nẵng phụ thuộc lớn vào dòng chảy sông Vu Gia. Khi lưu lượng nước đến giảm thấp, trạm bơm Cầu Đỏ bị nhiễm mặn nghiêm trọng và kéo dài. Tình trạng này đe dọa trực tiếp đời sống của hàng triệu cư dân và hoạt động sản xuất. Ngoài ra, việc duy trì sản xuất lúa vụ Hè Thu tại Quảng Nam cũng chịu rủi ro thiếu nước trầm trọng. Việc kiểm soát dòng kiệt và ngăn mặn đòi hỏi các giải pháp công trình kết hợp phi công trình đồng bộ, kịp thời.

Dự án thủy điện Đắk Mi 4 chuyển nước từ dòng chảy nhánh sông Vu Gia sang sông Thu Bồn. Hoạt động chuyển nước dòng chảy Đắk Mi 4 làm suy giảm đáng kể lưu lượng tự nhiên đổ về hạ lưu Vu Gia trong mùa cạn. Mực nước sông Vu Gia tại Ái Nghĩa hạ thấp nghiêm trọng, gây cạn kiệt dòng chảy qua sông Yên. Việc suy giảm lưu lượng nước khiến các trạm bơm tưới tiêu dọc sông rơi vào tình trạng treo chõ. Đồng thời, nguồn nước thô cung cấp cho nhà máy nước Cầu Đỏ bị thiếu hụt gay gắt. Nghiên cứu chỉ ra sự cần thiết phải quy định lưu lượng xả tối thiểu trả lại sông Vu Gia để bù đắp lượng nước bị chuyển đi, giảm thiểu thiệt hại cho hạ du.

Hiện tượng xâm nhập mặn cửa sông Thu Bồn và khu vực sông Cầu Đỏ diễn biến phức tạp trong mùa kiệt. Khi dòng chảy từ thượng nguồn suy giảm, nước biển lấn sâu vào nội địa hàng chục kilômét. Độ mặn tại cửa thu nước trạm bơm Cầu Đỏ thường xuyên vượt ngưỡng cho phép 1.000 mg/l, có thời điểm đạt mức kỷ lục. Tình trạng này làm gián đoạn nguồn cấp nước sinh hoạt cho toàn thành phố Đà Nẵng trong nhiều ngày. Đất canh tác ven sông Thu Bồn cũng chịu nguy cơ nhiễm mặn cao, làm suy giảm năng suất cây trồng. Việc tính toán lưu lượng đẩy mặn là điều kiện tiên quyết để bảo vệ các nguồn lấy nước ngọt quan trọng ven sông.

Giải quyết xung đột khai thác sử dụng nước Quảng Nam Đà Nẵng đòi hỏi xây dựng cơ chế phối hợp liên tỉnh. Cần thành lập Ủy ban Lưu vực sông với đầy đủ thẩm quyền pháp lý để giám sát và ra quyết định. Cơ chế này xác lập nguyên tắc ưu tiên cấp nước cho sinh hoạt và nông nghiệp trước phát điện khi xảy ra hạn hán. Các bên liên quan cần chia sẻ dữ liệu quan trắc khí tượng thủy văn theo thời gian thực. Việc thiết lập quỹ chia sẻ lợi ích và bồi thường thiệt hại sinh thái cũng là giải pháp cấp thiết. Tiếp cận đối thoại và thỏa thuận dựa trên tính toán khoa học giúp hài hòa lợi ích giữa phát triển năng lượng và an sinh xã hội hạ du.

Mạng lưới mô hình WEAP được xây dựng với cấu trúc chi tiết phản ánh đúng hiện trạng lưu vực. Hệ thống bao gồm hàng chục nút sông nhánh, các hồ chứa thủy điện lớn như A Vương, Sông Bung 4, Đắk Mi 4, Sông Tranh 2. Các đối tượng dùng nước được phân chia thành nhóm sinh hoạt đô thị, tưới nông nghiệp, cấp nước công nghiệp và dòng chảy môi trường. Mỗi nút nhu cầu được gán chuỗi dữ liệu định mức sử dụng nước theo từng tháng. Các tuyến truyền dẫn nước, kênh thủy lợi và công trình phân lũ được số hóa chính xác. Cấu trúc mạng lưới đảm bảo mô phỏng đầy đủ tương tác qua lại giữa các công trình thủy công và vùng hưởng lợi hạ lưu.

Quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình WEAP phân bổ tài nguyên nước sử dụng chuỗi số liệu thực đo thủy văn nhiều năm. Các chỉ số đánh giá độ tin cậy như hệ số Nash-Sutcliffe (NSE) và sai số tương đối (PBIAS) đạt chuẩn thống kê cao. Mô hình tái hiện chính xác diễn biến lưu lượng dòng chảy và mực nước tại các trạm kiểm soát chủ chốt như Ái Nghĩa, Câu Lâu, Nông Sơn. Việc kiểm định qua các năm kiệt lịch sử khẳng định tính chính xác của mô hình trong điều kiện khắc nghiệt. Bộ thông số thủy lực và quy tắc phân bổ đã qua hiệu chỉnh cung cấp nền tảng vững chắc cho các bước mô phỏng kịch bản tiếp theo.

Mô hình WEAP thực hiện mô phỏng phân bổ nước theo các kịch bản phát triển kinh tế - xã hội tầm nhìn 2030. Kịch bản xem xét sự gia tăng dân số đô thị tại Đà Nẵng, mở rộng diện tích tưới tiêu và phát triển các khu công nghiệp Quảng Nam. Ngoài ra, kịch bản biến đổi khí hậu với hiện tượng nhiệt độ tăng và lượng mưa mùa khô suy giảm cũng được tích hợp. Kết quả chỉ ra nguy cơ thâm hụt nước sâu sắc nếu giữ nguyên phương thức vận hành hiện hành. Mô phỏng chỉ rõ thời điểm và vị trí thiếu nước gay gắt nhất, từ đó định hướng phương án chuyển đổi cơ cấu cây trồng và nâng cấp hạ tầng cấp nước.

Duy trì dòng chảy môi trường hạ lưu sông Vu Gia là yêu cầu bắt buộc để bảo vệ hệ sinh thái thủy sinh và kiểm soát mặn. Dòng chảy tối thiểu bảo đảm điều kiện sống cho các loài động thực vật thủy sinh và duy trì khả năng tự làm sạch của sông. Nghiên cứu xác định ngưỡng lưu lượng sinh thái thiết yếu tại các mặt cắt nhạy cảm ở hạ du. Việc duy trì dòng chảy kiệt không chỉ phục vụ môi trường mà còn giữ mực nước cần thiết cho các trạm bơm hoạt động. Các hồ chứa thủy điện ở thượng nguồn có trách nhiệm phối hợp xả nước liên tục để duy trì ngưỡng dòng chảy môi trường đã cam kết.

Cơ chế phân bổ nguồn nước thiết lập thứ tự ưu tiên rõ ràng theo quy định của pháp luật. Nhu cầu nước sinh hoạt của người dân luôn được xếp ở vị trí ưu tiên cao nhất. Tiếp theo là nước cho sản xuất nông nghiệp, an ninh lương thực và dòng chảy môi trường. Hoạt động phát điện và công nghiệp xếp sau các nhu cầu dân sinh thiết yếu. Đi kèm với thứ tự ưu tiên là cơ chế chia sẻ lợi ích và trách nhiệm tài chính. Các nhà máy thủy điện hưởng lợi từ việc sử dụng nước phải đóng góp chi phí duy trì nguồn sinh thủy và hỗ trợ công tác phòng chống hạn hán tại hạ du.

Giải pháp tối ưu hóa phân bổ nguồn nước đa mục tiêu kết hợp đồng bộ công nghệ số và điều hành quản trị. Nghiên cứu đề xuất thuật toán tối ưu hóa điều độ nguồn nước, tích hợp trực tiếp vào hệ thống giám sát tự động. Các giải pháp điều chỉnh lịch mùa vụ nông nghiệp giúp giảm áp lực lấy nước vào các tháng kiệt đỉnh điểm. Việc áp dụng công nghệ tưới tiết kiệm nước nâng cao hiệu quả sử dụng nước trong sản xuất. Đồng thời, xây dựng đập tạm ngăn mặn trên sông Cẩm Lệ là giải pháp công trình hỗ trợ hữu hiệu. Sự kết hợp linh hoạt các giải pháp bảo đảm an ninh nguồn nước bền vững trước biến đổi khí hậu.

Quy chế vận hành liên hồ chứa lưu vực Vu Gia Thu Bồn mùa cạn quy định cụ thể thời gian và lưu lượng xả của từng hồ. Các hồ chứa phải duy trì mực nước hồ theo biểu đồ điều phối quy định và xả lưu lượng đáy thường xuyên. Khi xuất hiện hạn hán nghiêm trọng, quy chế kích hoạt chế độ vận hành đặc biệt ưu tiên cấp nước hạ du. Các chủ hồ thủy điện buộc phải tuân thủ lệnh điều hành xả nước của cơ quan quản lý nhà nước có thẩm quyền. Quy chế cũng quy định chế tài xử lý nghiêm các trường hợp vi phạm quy định tích và xả nước. Việc thực thi nghiêm ngặt quy chế bảo đảm sự công bằng và an toàn nguồn nước.

Điều tiết lưu lượng xả từ các hồ chứa thượng nguồn là biện pháp then chốt để đẩy mặn tại cửa thu nước Cầu Đỏ. Khi độ mặn tại Cầu Đỏ vượt ngưỡng cho phép, các hồ thủy điện trên nhánh Vu Gia phải tăng lưu lượng xả đáy. Lượng nước xả gia tăng giúp dâng cao mực nước sông Yên, đẩy lùi ranh mặn ra xa cửa sông. Nghiên cứu xác định định lượng lưu lượng và thời gian xả tối ưu để tiết kiệm nước mà vẫn đạt hiệu quả đẩy mặn cao nhất. Sự phối hợp điều tiết kịp thời giữa các đơn vị vận hành hồ và nhà máy nước giúp bảo đảm nguồn cấp nước sạch liên tục cho đô thị.

Hệ thống giám sát thời gian thực cung cấp dữ liệu quan trắc liên tục về lượng mưa, mực nước hồ và dòng chảy hạ lưu. Các trạm đo mặn tự động truyền số liệu trực tiếp về trung tâm điều hành giúp đưa ra cảnh báo sớm. Quản trị rủi ro hạn hán chủ động dựa trên mô hình dự báo khí tượng thủy văn hạn vừa và hạn dài. Nền tảng công nghệ số hóa hỗ trợ các nhà quản lý đưa ra quyết định điều tiết hồ chứa chính xác và kịp thời. Việc xây dựng kịch bản ứng phó khẩn cấp giúp lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn chủ động thích ứng với các biến cố thời tiết cực đoan, bảo vệ cuộc sống người dân.