Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Thạch Hãn – Ô Lâu có tổng diện tích tự nhiên đạt 372.485 ha với quy mô dân số ghi nhận năm 2013 là 525.280 người. Đây là địa bàn kinh tế trọng điểm thuộc hai tỉnh Quảng Trị và Thừa Thiên Huế nhưng thường xuyên chịu tác động nặng nề bởi các loại hình thiên tai khắc nghiệt như hạn hán mùa khô, lũ lụt mùa mưa, xâm nhập mặn và hiện tượng cát bay, cát nhảy. Mặc dù toàn vùng đã được đầu tư xây dựng 234 công trình thủy lợi với tổng năng lực thiết kế tưới 31.808,4 ha, song năng lực tưới thực tế chỉ đạt 18.243,2 ha, tương đương 55,6% công suất thiết kế; hơn 44% diện tích canh tác còn lại phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn nước tự nhiên.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là sự mất cân đối gay gắt giữa nguồn nước tự nhiên và nhu cầu dùng nước theo mùa, kết hợp với hạ tầng tiêu thoát lũ và ngăn mặn còn nhiều bất cập. Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu, phân tích cơ sở khoa học và thực tiễn để đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật cấp nước, tiêu thoát nước chủ động cho 26.314,4 ha đất canh tác nông nghiệp, phục vụ sinh hoạt đô thị và công nghiệp, đồng thời kiểm soát ngập úng và giảm thiểu tác hại của bão lũ, cát bồi lấp. Phạm vi không gian nghiên cứu bao quát 9 huyện, thị xã gồm thành phố Đông Hà, thị xã Quảng Trị, Hải Lăng, Triệu Phong, Cam Lộ, Gio Linh, Hướng Hóa, Đakrông và Phong Điền. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quyết định trong việc tối ưu hóa nguồn dòng chảy mặt khoảng 5 tỷ m3/năm, giảm thiểu mức thiệt hại thiên tai trung bình 50 tỷ đồng mỗi năm và thúc đẩy tăng trưởng kinh tế khu vực đạt trên 11% bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết quản lý tổng hợp tài nguyên nước (IWRM) và lý thuyết cân bằng nước lưu vực sông. Mô hình cân bằng nước được thiết lập dựa trên tương quan cung - cầu giữa nguồn nước đến tự nhiên, dung tích trữ của hệ thống hồ đập với nhu cầu dùng nước của các hộ tiêu thụ gồm trồng trọt, chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản, công nghiệp và sinh hoạt đô thị. Bên cạnh đó, lý thuyết thủy văn công trình được ứng dụng để xác định các đặc trưng dòng chảy năm thiết kế, dòng chảy kiệt và dòng chảy lũ cực hạn theo các tần suất P=1%, P=5%, P=10%.

Các khái niệm then chốt trong nghiên cứu bao gồm: dòng chảy kiệt với mô số dòng chảy kiệt nhỏ nhất 2,14 l/s.km2; lũ tiểu mãn xuất hiện vào tháng V gây ngập úng cục bộ; quá trình xâm thực và vận chuyển bồi tích ven biển tạo ra hiện tượng cát bay, cát nhảy; và chuỗi công trình gạn triều tiêu úng kết hợp ngăn mặn vùng cửa sông, đầm phá ven biển.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thứ cấp và sơ cấp thu thập từ 117 xã, phường trong lưu vực. Chuỗi số liệu khí tượng thủy văn được thu thập liên tục qua nhiều thập kỷ tại các trạm đo đại diện như Đông Hà, Khe Sanh, Gia Vòng, Thạch Hãn và Mỹ Chánh. Cỡ mẫu nghiên cứu bao trùm toàn bộ hệ thống hạ tầng thủy lợi hiện hữu gồm 67 hồ chứa nước, 91 đập dâng, 76 trạm bơm và 96,6 km tuyến đê bao chống lũ Hè Thu.

Phương pháp chọn mẫu khảo sát thực địa được thực hiện theo nguyên tắc phân tầng phi ngẫu nhiên có chủ đích, dựa trên đặc thù địa hình phân bố từ vùng núi cao Trường Sơn (chiếm 45-50% diện tích), vùng gò đồi, vùng đồng bằng trũng thấp đến dải cồn cát ven biển. Phương pháp phân tích xác suất thống kê theo phân phối Pearson loại III được lựa chọn nhằm xử lý chuỗi số liệu thủy văn có độ biến động cao, xác định chính xác mô hình mưa tưới và mưa tiêu thiết kế. Phương pháp cân bằng nước mô hình hóa bằng phần mềm chuyên ngành giúp lượng hóa chuẩn xác mức thiếu hụt nước tại từng tiểu vùng. Ngoài ra, phương pháp chuyên gia thông qua việc tham vấn các nhà khoa học đầu ngành tại Trung ương và địa phương được áp dụng để chuẩn hóa các giải pháp công trình đề xuất. Timeline nghiên cứu xử lý chuỗi dữ liệu thực đo từ năm 1982 đến năm 2013 và xây dựng kịch bản dự báo nhu cầu dùng nước đến năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, hiệu suất khai thác thực tế của hệ thống công trình thủy lợi toàn lưu vực ở mức rất thấp, chỉ đạt 55,6% so với năng lực thiết kế. Riêng tại Vùng 4 (thượng lưu Thạch Hãn), tỷ lệ này chỉ đạt 23%, khiến 3.732 ha đất canh tác chưa được cấp nước chủ động. Hệ thống thủy nông Nam Thạch Hãn dù là công trình lớn nhất vùng với mạng lưới 85 km kênh dẫn nhưng vào vụ Hè Thu chỉ tưới được 5.000 ha do lưu lượng kiệt thực tế xuống thấp tới 5,8 m3/s (năm 1998), chênh lệch lớn so với lưu lượng tính toán thiết kế ban đầu là 13,6 m3/s.

Thứ hai, chế độ mưa và dòng chảy mặt phân phối cực kỳ bất đối xứng theo thời gian và không gian. Lượng mưa trung bình năm biến động từ 2.023 mm (Khe Sanh) đến 2.535 mm (Gia Vòng), trong đó 70-80% tổng lượng mưa tập trung dồn dập vào 3 tháng mùa lũ (tháng IX đến tháng XI). Trận mưa ngày 24/10/1978 tại Thạch Hãn đạt cường độ kỷ lục 464,2 mm/ngày; trận lũ lịch sử tháng 11/1999 ghi nhận lượng mưa 1.517 mm tại Mỹ Chánh, đẩy mực nước sông Thạch Hãn lên cao trình 7,29 m (vượt mức báo động III 1,79 m), gây thiệt hại hơn 300 tỷ đồng. Ngược lại, mùa kiệt kéo dài tới 8 tháng với dòng chảy tháng kiệt nhất tại trạm Gia Vòng chỉ đạt 1,48 m3/s, khiến năm 1998 có 11.831 ha lúa Hè Thu bị hạn và 9.200 ha mất trắng hoàn toàn.

Thứ ba, hệ thống tiêu thoát nước và kiểm soát mặn bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng. Toàn vùng có 372.475 ha diện tích tự nhiên với 90% diện tích đồi núi tiêu tự chảy, nhưng 10% diện tích đồng bằng trũng thấp tại Hải Lăng và Phong Điền phụ thuộc vào 7 trạm bơm tiêu và 35 trạm tưới tiêu kết hợp. Năng lực tiêu thực tế mới đạt 3.810 ha. Khi dòng chảy mùa kiệt bị khai thác triệt để phục vụ tưới, ranh mặn nồng độ 4‰ đã xâm nhập sâu vào dòng chính sông Thạch Hãn lên tận Triệu Giang (ngã ba sông Vĩnh Phước), làm tê liệt nhiều trạm bơm ven sông.

Thảo luận kết quả

Các phát hiện trên phản ánh rõ đặc điểm địa hình dốc đứng từ Tây sang Đông bị chặn lại bởi dải cồn cát ven biển cao từ +4 m đến +11 m, biến khu vực đồng bằng nội đồng thành các lòng chảo ngập úng khi gặp triều cường tại Cửa Việt và Cửa Lác. Tổn thất nước tưới lớn xuất phát từ việc chỉ có 3,4 km kênh chính Nam Thạch Hãn được kiên cố hóa, hệ thống kênh cấp 1 và kênh nội đồng bằng đất thường xuyên bị cát bồi lấp và rong rêu phát triển, làm suy giảm hệ số lợi dụng kênh mương xuống mức 0,50-0,55.

Dữ liệu thủy văn và hiện trạng cấp nước trong nghiên cứu có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua biểu đồ phân phối dòng chảy 12 tháng tại trạm Gia Vòng (dao động mạnh từ 2,1 m3/s trong tháng VII lên 52,5 m3/s trong tháng X) và bảng so sánh diện tích thiết kế đối chiếu với diện tích tưới thực tế tại 7 phân vùng thủy lợi. So với các nghiên cứu tại lưu vực sông Bến Hải hay sông Hương, lưu vực Thạch Hãn – Ô Lâu mang tính đặc thù cao nhờ sự kết nối liên hoàn qua trục sông Vĩnh Định và sự điều tiết dòng chảy kiệt từ công trình thủy điện Rào Quán với lưu lượng bổ sung 10,8 m3/s, tạo tiền đề khoa học vững chắc cho việc tái phân bổ nguồn nước toàn vùng.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, thực hiện kiên cố hóa và hiện đại hóa toàn diện hệ thống kênh mương đầu mối. Tập trung nâng cấp 85 km tuyến kênh chính và kênh cấp 1 thuộc hệ thống Nam Thạch Hãn, các hồ chứa Trúc Kinh, Hà Thượng và Ái Tử nhằm nâng hệ số lợi dụng nước từ 0,55 lên 0,75, giảm thiểu tối đa tình trạng sạt lở và thất thoát nước qua vùng đất cát trước năm 2020. Chủ thể thực hiện là Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Quảng Trị phối hợp cùng các Công ty TNHH MTV Quản lý Khai thác Công trình Thủy lợi.

Thứ hai, thiết lập quy trình vận hành liên hồ chứa và tối ưu hóa điều tiết dòng chảy kiệt. Khai thác hiệu quả dung tích phòng lũ 30 triệu m3 và lưu lượng xả đáy ổn định 10,8 m3/s từ công trình thủy lợi - thủy điện Rào Quán (dung tích 163 triệu m3) để cấp bổ sung cho đập Nam Thạch Hãn; kết hợp vận hành đập cao su trên đỉnh tràn nhằm tăng thêm 10 triệu m3 dung tích trữ, đẩy mặn nồng độ dưới 4‰ về hạ lưu cầu Triệu Giang. Chủ thể thực hiện là Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn tỉnh phối hợp với Tập đoàn Điện lực Việt Nam.

Thứ ba, nâng cấp hệ thống công trình tiêu úng động lực và đập gạn triều ven biển. Tiến hành duy tu, mở rộng công suất 7 trạm bơm tiêu và 35 trạm tưới tiêu kết hợp tại vùng trũng thấp Hải Lăng, Triệu Phong và Phong Điền, nâng diện tích tiêu úng chủ động từ 3.810 ha lên 7.500 ha giai đoạn 2016-2020; vận hành nhịp nhàng đập gạn triều Việt Yên (quy mô 12 cửa x 2,7 m) và đập Cửa Lác (quy mô 67 cửa x 2,4 m) để thoát lũ sớm và ngăn mặn giữ ngọt cho sản xuất vụ Hè Thu. Chủ thể thực hiện là Ủy ban nhân dân các huyện Hải Lăng, Phong Điền và Triệu Phong.

Thứ tư, củng cố đê bao ngăn lũ và trồng rừng chắn bão cát ven biển. Hoàn thiện nâng cấp mặt cắt 96,6 km đê bao chống lũ Hè Thu đạt chuẩn tần suất thiết kế P=10%; đồng thời gia cố tuyến đê ngăn cát dài 40 km từ Triệu Trạch (Triệu Phong) đến Điền Lộc (Phong Điền) kết hợp trồng dải rừng phòng hộ ven biển nhằm ngăn chặn dứt điểm hiện tượng cát bay, cát nhảy bồi lấp đồng ruộng. Chủ thể thực hiện là Chi cục Thủy lợi và Chi cục Kiểm lâm hai tỉnh Quảng Trị và Thừa Thiên Huế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, các nhà hoạch định chính sách và cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước như Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Chi cục Thủy lợi tỉnh Quảng Trị và Thừa Thiên Huế. Luận văn cung cấp luận cứ khoa học từ việc phân chia 7 vùng cấp nước và bộ số liệu cân bằng nước chi tiết để xây dựng, phê duyệt quy hoạch thủy lợi trung hạn và dài hạn.

Thứ hai, đơn vị quản lý, vận hành và khai thác công trình thủy nông. Các kỹ sư quản lý hệ thống có thể ứng dụng bảng tính toán dòng chảy kiệt (mô số 2,14 l/s.km2) và thông số điều tiết hồ chứa để xây dựng lịch phân phối nước luân phiên cho 234 công trình hồ đập, trạm bơm, khắc phục tình trạng thiếu nước tại đuôi các kênh N1, N3, N4.

Thứ ba, kỹ sư tư vấn thiết kế và quy hoạch hạ tầng công trình thủy lợi - đê điều. Số liệu tính toán thủy văn lũ thiết kế theo các tần suất P=1%, P=5% cùng thông số kỹ thuật của đập Cửa Lác (67 cửa) và đập Việt Yên (12 cửa) là tài liệu tham khảo thực tế cho các dự án cải tạo đê sông, đê ngăn mặn và trạm bơm tiêu úng vùng duyên hải miền Trung.

Thứ tư, giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Tài nguyên nước, Thủy văn và Biến đổi khí hậu. Công trình là tài liệu học thuật giá trị về phương pháp luận tính toán cân bằng nước liên lưu vực và tổ hợp giải pháp công trình - phi công trình trong quản lý rủi ro thiên tai kép (hạn hán, lũ lụt, xâm nhập mặn và sa mạc hóa cát).

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân chính khiến hiệu suất tưới của các công trình thủy lợi trong vùng chỉ đạt 55,6% công suất thiết kế là gì? Hiệu suất tưới thấp do diện tích giao nhiệm vụ vượt quá khả năng cấp nước mùa kiệt, hệ thống kênh mương phần lớn là kênh đất chưa kiên cố dẫn đến tổn thất thấm cao (hệ số lợi dụng chỉ đạt 0,50-0,55). Điển hình như hồ Trúc Kinh thiết kế tưới 2.350 ha nhưng thực tế chỉ tưới được 1.350 ha do thiếu nguồn nước đến và kênh mương hư hỏng.

Công trình thủy điện Rào Quán đóng vai trò như thế nào trong bài toán điều tiết nước toàn lưu vực? Hồ Rào Quán có dung tích trữ 163 triệu m3 với 30 triệu m3 dung tích phòng lũ giúp cắt giảm đỉnh lũ cho vùng hạ du. Trong mùa cạn, công trình xả đều đặn về hạ du dòng chảy bổ sung 10,8 m3/s, cung cấp nguồn nước ngọt ổn định cho đập Nam Thạch Hãn để tưới tiêu và hỗ trợ đẩy mặn tại hạ lưu.

Các giải pháp then chốt để xử lý tình trạng ngập úng tại các vùng trũng thấp Hải Lăng và Phong Điền là gì? Giải pháp then chốt là kết hợp vận hành tự động hệ thống cống gạn triều tại đập Việt Yên và đập Cửa Lác (67 cửa) với việc kiên cố hóa 7 trạm bơm tiêu chuyên dụng và 35 trạm tưới tiêu kết hợp, giúp tiêu thoát nước nhanh chóng trong 3 thời kỳ xung yếu gồm gieo mạ vụ Đông Xuân, mưa tiểu mãn tháng V và lũ sớm vụ Hè Thu.

Hiện tượng cát bay, cát nhảy tác động ra sao và giải pháp công trình nào được đề xuất để ngăn chặn? Gió mùa Tây Nam và mưa lũ cuốn dải cồn cát cao +4 m đến +11 m bồi lấp đồng ruộng và lòng kênh mương, gây suy thoái đất sản xuất. Luận văn đề xuất gia cố tuyến đê ngăn cát dài gần 40 km từ Triệu Trạch đến Điền Lộc kết hợp khai thác các hồ trữ nước tự nhiên trên cát (trằm) như trằm Mỹ Xuyên, trằm Thiềm để tạo nguồn tưới hỗ trợ.

Quy hoạch cân bằng nước của luận văn đáp ứng sự gia tăng nhu cầu sử dụng nước đến năm 2020 như thế nào? Dự báo đến năm 2020, dân số toàn vùng đạt 678.403 người kéo theo nhu cầu cấp nước sạch đô thị tăng cao; quy mô đàn gia súc đạt trên 2,1 triệu con và diện tích gieo trồng mở rộng lên 32.909 ha vụ Đông Xuân. Luận văn đã tính toán cân bằng nước cho từng tiểu vùng, phân bổ tối ưu nguồn nước xả từ hồ Rào Quán và hệ thống hồ đập nâng cấp để đáp ứng trọn vẹn nhu cầu phát triển kinh tế.

Kết luận

  • Đã đánh giá toàn diện hiện trạng hệ thống 234 công trình thủy lợi trên diện tích 372.485 ha, xác định rõ nguyên nhân khiến năng lực tưới thực tế chỉ đạt 55,6% so với thiết kế.
  • Xác lập cơ sở khoa học phân chia lưu vực thành 7 vùng cấp nước chuyên biệt, phản ánh đúng đặc thù thủy văn và địa hình từ vùng núi cao đến đồng bằng duyên hải.
  • Phân tích chi tiết các kịch bản thủy văn cực đoan giữa mùa lũ lịch sử (mực nước 7,29 m tại Thạch Hãn) và mùa kiệt khốc liệt (mô số dòng chảy 2,14 l/s.km2) phục vụ tính toán công trình.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp công trình đồng bộ: kiên cố hóa 85 km kênh dẫn Nam Thạch Hãn, vận hành liên hồ Rào Quán với lưu lượng xả kiệt 10,8 m3/s và nâng cấp đập gạn triều Cửa Lác, Việt Yên.
  • Hoàn thiện các giải pháp phi công trình gồm củng cố 96,6 km đê bao chống lũ Hè Thu (tần suất P=10%) và bảo vệ tuyến đê ngăn cát dài 40 km.

Đóng góp chính của luận văn là cung cấp khung giải pháp kỹ thuật tích hợp giữa cấp nước, tiêu thoát úng và phòng chống thiên tai phù hợp với điều kiện tự nhiên khắc nghiệt của lưu vực sông Thạch Hãn – Ô Lâu. Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 2016 đến năm 2020, các địa phương cần ưu tiên triển khai kiên cố hóa hệ thống kênh mương nội đồng và lắp đặt hệ thống quan trắc tự động dòng chảy. Đề nghị các cơ quan ban ngành tỉnh Quảng Trị và Thừa Thiên Huế sớm ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn quy hoạch phát triển bền vững tài nguyên nước lưu vực.