Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học đề xuất giải pháp nhằm nâng cao năng lực và hiệu quả của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong điều kiện biến đổi khí hậu nước biển dâng

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu - Ý nghĩa khoa học: Luận án đã cung cấp được phương pháp luận khoa học cho việc xác định tần suất mực nước sông thiết kế hợp lý đảm bảo tổng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LA ĐỨC DŨNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO NĂNG LỰC VÀ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG TIÊU BẮC NAM HÀ TRONG ĐIỀU KIỆN

BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU NƯỚC BIỂN DÂNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LA ĐỨC DŨNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO NĂNG LỰC VÀ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG TIÊU BẮC NAM HÀ TRONG ĐIỀU KIỆN

BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU NƯỚC BIỂN DÂNG

Chuyên ngành: Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước

Mã số: 62-62-30-01

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh

2: GS TS Đào Xuân Học

HÀ NỘI, NĂM 2017

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tác giả, các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã đƣợc trích dẫn theo đúng quy định

Tác giả luận án

La Đức Dũng

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian miệt mài nghiên cứu, luận án đã hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình của GS TS Đào Xuân Học và PGS TS Nguyễn Tuấn Anh Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu để tác giả hoàn thành luận án này Tác giả xin chân thành cảm ơn các đơn vị, cá nhân đã tạo điều kiện cung cấp các tài liệu và tham gia góp ý cho tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu Xin cảm ơn tác giả các công trình nghiên cứu đã cung cấp nguồn tư liệu và những kiến thức liên quan quý báu để tác giả sử dụng trong quá trình nghiên cứu và trích dẫn trong luận án này Tác giả xin chân thành cảm ơn Bộ môn Kỹ thuật hạ tầng và PTNT; Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước; Phòng Đào tạo đại học và sau đại học; Trường Đại học Thủy lợi; Tổng cục Thủy lợi; Viện Quy hoạch thủy lợi; Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam; Viện kỹ thuật tài nguyên nước; Công ty TNHH một thành viên khai thác công trình thủy lợi Bắc Nam Hà; Trung tâm Khí tượng Thủy văn quốc gia; Viện Khoa học Khí tượng thủy văn & Biến đổi khí hậu; Cục Khí tượng thủy văn & Biến đổi khí hậu cùng toàn thể các thầy, cô giáo; bạn bè; đồng nghiệp; cơ quan và gia đình đã tạo điều kiện, chia

sẻ khó khăn, tham gia ý kiến và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận án này

iii

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Nội dung nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu 3

7 Bố cục của luận án 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan hệ thống tiêu Bắc Nam Hà 4

1.1.1 Vị trí địa lý và đặc điểm địa hình 5

1.1.2 Đặc điểm mưa, mạng lưới sông ngòi và chế độ thủy văn 7

1.1.3 Hiện trạng hệ thống tiêu Bắc Nam Hà 10

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về tác động của BĐKH, NBD đến các hệ thống tiêu nước 14

1.2.1 Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới về tác động của BĐKH, NBD đến các hệ thống tiêu nước 14

1.2.2 Tổng quan các nghiên cứu về tác động của BĐKH, NBD đến các hệ thống tiêu nước ở Việt Nam 16

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu về phương pháp xác định mực nước sông thiết kế cho các trạm bơm tiêu 21

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu về quản lý vận hành hệ thống tiêu Bắc Nam Hà 25

1.5 Kết luận chương 27

CHƯƠNG 2 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TIÊU ÚNG CỦA HỆ THỐNG TIÊU BẮC NAM HÀ TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU, NƯỚC BIỂN DÂNG 29

2.1 Đánh giá khả năng tiêu úng của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong giai đoạn hiện tại 29

2.1.1 Xác định nhu cầu tiêu của hệ thống 29

2.1.2 Mô phỏng hệ thống để kiểm tra năng lực tiêu 43

iv

2.2 Đánh giá khả năng tiêu úng của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong các giai đoạn

2030 và 2050 70 2.2.1 Xác định kịch bản BĐKH, NBD cho vùng nghiên cứu 70 2.2.2 Lựa chọn tài liệu mưa để tính toán cho vùng nghiên cứu 72 2.2.3 Xác định mực nước sông tương lai ứng với kịch bản phát thải trung bình cho vùng nghiên cứu 73 2.2.4 Xây dựng mô hình mưa tiêu trong điều kiện biến đổi khí hậu 74 2.2.5 Xây dựng kịch bản sử dụng đất giai đoạn 2030, 2050 81 2.2.6 Xác định hệ số tiêu thiết kế của hệ thống Bắc Nam Hà trong điều kiện BĐKH NBD 81 2.2.7 Mô phỏng hệ thống tiêu ứng với trận mưa thiết kế và hiện trạng hệ thống tương ứng với giai đoạn 2030, 2050 82 2.3 Đánh giá khả năng tiêu úng của hệ thống BNH trong điều kiện BĐKH, NBD 84 2.4 Kết luận chương 84 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC CHO VIỆC ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO NĂNG LỰC VÀ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG TIÊU BNH TRONG ĐIỀU KIỆN BĐKH, NBD 86 3.1 Tính toán cân bằng nước cho hệ thống trong các giai đoạn hiện tại, 2030 và

2050 86 3.1.1 Phương trình cân bằng nước của lưu vực tiêu 86 3.1.2 Tính toán cân bằng nước cho hệ thống qua các giai đoạn hiện tại, 2030 và

2050 87 3.2 Xây dựng quan hệ giữa hệ số tiêu với tỷ lệ diện tích hồ điều hòa, chiều sâu trữ và định hướng quy hoạch hồ điều hòa cho hệ thống BNH trong điều kiện BĐKH, NBD

92

3.2.1 Xây dựng quan hệ giữa hệ số tiêu với tỷ lệ diện tích hồ điều hòa và chiều sâu trữ cho hệ thống Bắc Nam Hà trong điều kiện BĐKH NBD 92 3.2.2 Định hướng trong công tác quy hoạch hồ điều hòa cho hệ thống Bắc Nam

Hà trong điều kiện BĐKH NBD 97 3.3 Đề xuất phương pháp xác định tần suất mực nước sông thiết kế trạm bơm tiêu

có tổng chi phí xây dựng và quản lý vận hành nhỏ nhất 101 3.3.1 Đánh giá mức độ lãng phí điện năng bơm tiêu khi thiết kế trạm bơm với tần suất mực nước sông thiết kế 10% 104 3.3.2 Phân tích quan hệ giữa mực nước bể tháo và mực nước sông tiêu 111

v

3.3.3 Ứng dụng lý thuyết phân tích hệ thống để xây dựng phương pháp xác định mực nước sông thiết kế hợp lý có tổng chi phí xây dựng và vận hành trạm bơm

nhỏ nhất 113

3.3.4 Thuật toán và chương trình tính 119

3.3.5 Ứng dụng phương pháp xác định mực nước sông thiết kế có tổng chi phí xây dựng và vận hành quy về năm đầu nhỏ nhất cho trạm bơm Hữu Bị 123

3.4 Kết luận chương 138

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 139

1 Kết quả đạt được của luận án 139

2 Những đóng góp mới của luận án 141

3 Những tồn tại và hướng nghiên cứu tiếp 141

4 Kiến nghị 142

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 143

TÀI LIỆU THAM KHẢO 144

PHỤ LỤC 149

vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ họa địa giới hành chính Hệ thống Bắc Nam Hà 5

Hình 2.1 Sơ đồ xác định các loại cột nước tiêu qua đỉnh đường tràn 35

Hình 2.2 Sơ đồ tiêu nước qua đường tràn có chế độ chảy tự do 36

Hình 2.3 Sơ đồ tiêu nước qua đường tràn có chế độ chảy ngập 37

Hình 2.4 Sơ đồ các loại mực nước trong hồ điều hoà 40

Hình 2.5 Bản đồ phân vùng tiêu hệ thống Bắc Nam Hà 54

Hình 2.6 Các thành phần của hệ thống mô phỏng bởi SWMM 5.0 56

Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong SWMM 5.0 58

Hình 2.8 Sơ đồ khối tính toán dòng chảy cho hệ thống BNH 59

Hình 2.9 Diễn biếnchiều sâu mực nước tại điểm đo CG19 Kết quả kiểm tra: Ngày 24-30/09/2009 62

Hình 2.10 Diễn biến chiều sâu mực nước tại điểm đo NTR Kết quả kiểm tra: Ngày 24-30/09/2009 63

Hình 2.11 Đường quá trình mực nước tại điểm đo NTR- Sông Nhâm Tràng 66

Hình 2.12 Đường quá trình mực nước tại điểm CGI-Sông T5 67

Hình 2.13 Các nút ngập từ kết quả chạy mô hình 68

Hình 2.14 Mô phỏng đoạn kênh tràn bờ trên sông Long Xuyên 68

Hình 2.15 Các đoạn kênh tràn bờ từ kết quả chạy mô hình 69

Hình 2.16 Quan hệ mưa năm và mưa 5 ngày max trạm Hưng Yên (1980-1999) 72

Hình 2.17 Quan hệ mưa mùa và mưa 5 ngày max trạm Hưng Yên (1980-1999) 73

Hình 2.18 Xu thế mưa 3, 5, 7 ngày Max Trạm Phủ Lý (Giai đoạn 1980-2059) 79

Hình 2.19 Xu thế mưa 3, 5, 7 ngày Max Trạm Nam Định (Giai đoạn 1980-2059) 79 Hình 2.20 Xu thế thời gian ngập qua các thời kỳ 83

Hình 3.1 Năng lực và nhu cầu tiêu các giai đoạn 89

Hình 3.2 Nhu cầu tăng năng lực bơm tiêu hệ thống qua các giai đoạn 89

Hình 3.3 Biểu đồ quan hệ q ~ α ~ Htrữ giai đoạn 2030 94

Hình 3.4 Biểu đồ quan hệ q ~ α ~ Htrữ giai đoạn 2050 96

Hình 3.5 Ảnh phân bố ao hồ tháng 9/2007 – Làng Chều, xã Nguyên Lý, huyện Lý Nhân, tỉnh Hà Nam 99

Hình 3.6 So sánh diện tích ao đã bị lấp – Làng Chều, xã Nguyên Lý, huyện Lý Nhân, tỉnh Hà Nam 99

vii

Hình 3.7 Ảnh phân bố ao tháng 9/2007 – Xóm Già, xã Kim Thái, huyện Vụ Bản,

tỉnh Nam Định 100

Hình 3.8 So sánh diện tích ao đã bị lấp – Xóm Già, xã Kim Thái, huyện Vụ Bản, tỉnh Nam Định 100

Hình 3.9 So sánh tần suất mưa trong đồng và mực nước sông trạm Như Trác 103

Hình 3.10 Cắt dọc bể tháo trạm bơm 108

Hình 3.11: Trạm bơm tiêu làm việc trong trường hợp mực nước sông tiêu nhỏ hơn mực nước bể tháo tại trạm bơm Phù Đổng 112

Hình 3.12: Sơ đồ tính cột nước địa hình dư thừa 112

Hình 3.13: Sơ đồ khối xác định mực nước bể tháo tối ưu 119

Hình 3.14: Sơ đồ khối tính toán điện năng tiêu thụ của trạm bơm tiêu 120

Hình 3.15 Giao diện chương trình tính toán xác định phương án tối ưu 122

Hình 3.16 Xu thế chi phí xây dựng theo các mực nước sông thiết kế 128

Hình 3.17 Xu thế Cđnj ~ ZsTK theo phương án I 131

Hình 3.18: Xu thế Cđnj ~ ZsTK theo phương án II 131

Hình 3.19: Diễn biến Ctổng theo mực nước sông thiết kế (Phương án I) 133

Hình 3.20: Diễn biến Ctổng theo mực nước sông thiết kế (Phương án II) 133

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phân bố cao độ ruộng đất khu vực Bắc Nam Hà 6

Bảng 1.2 Các mực nước tháng trên sông Hồng, sông Đáy, sông Đào 8

Bảng 1.3 Mức báo động tại một số vị trí trên sông 9

Bảng 1.4 Thông số kỹ thuật của một số trạm bơm 10

Bảng 1.5 Quy mô một số trạm bơm trong hệ thống 11

Bảng 1.6 Hệ thống kênh trục chính và cống điều tiết của 6 trạm bơm lớn 12

Bảng 2.1 Thời điểm diễn ra các trận mưa mưa 3, 5, 7 ngày max và tỷ trọng mưa tại trạm Ninh Bình giai đoạn hiện tại 30

Bảng 2.2 Sự phụ thuộc giữa các trận mưa thời đoạn ngắn vào các trận mưa thời đoạn dài trạm Ninh Bình 32

Bảng 2.3 Tổng hợp sự phụ thuộc giữa các trận mưa thời đoạn ngắn vào các trận mưa thời đoạn dài và tỷ trọng giữa các trận mưa giai đoạn hiện tại 32

Bảng 2.4 Mô hình mưa tiêu thiết kế (10%) thời kỳ hiện tại - Trạm Hưng Yên 33

Bảng 2.5 Mô hình mưa tiêu thiết kế (10%) thời kỳ hiện tại – Trạm Nam Định 34

Bảng 2.6 Mô hình mưa tiêu thiết kế (10%) thời kỳ hiện tại – Trạm Ninh Bình 34

Bảng 2.7 Mô hình mưa tiêu thiết kế (10%) thời kỳ hiện tại – Trạm Phủ Lý 34

Bảng 2.8 Hệ số dòng chảy C cho đối tượng tiêu nước trong các hệ thống thủy lợi theo TCVN 10406: 2015 41

Bảng 2.9 Hệ số tiêu thiết kế theo các trạm đo mưa khống chế giai đoạn hiện tại 42

Bảng 2.10 Công trình đầu mối và cống điều tiết trong các khu tiêu 52

Bảng 2.11 Bảng đánh giá sai số quá trình tính toán và thực đo node CG19-Mỹ Hà 64

Bảng 2.12 Bảng đánh giá sai số quá trình tính toán và thực đo NTR - Nhâm Tràng 64

Bảng 2.13 Bảng đánh giá sai số quá trình tính toán và thực đo tại các vị trí trên sông Như Trác, Sắt, Châu Giang, Nhâm Tràng 66

Bảng 2.14 Bảng đánh giá sai số quá trình tính toán và thực đo tại các vị trí trên sông Sắt, sông Châu Giang, sông T5 66

Bảng 2.15 So sánh mực NBD kịch bản B2 và RCP4.5 giai đoạn 2030 và 2050 74

Bảng 2.16 Trận mưa 3, 5,7 ngày max tại trạm Ninh Bình thời kỳ 2030 75

ix

Bảng 2.17 Sự phụ thuộc giữa các trận mưa thời đoạn ngắn vào các trận mưa thời

đoạn dài trạm Ninh Bình thời kỳ 2030 76

Bảng 2.18 Trận mưa 3, 5,7 ngày max tại trạm Hưng Yên thời kỳ 2050 76

Bảng 2.19 Sự phụ thuộc giữa các trận mưa thời đoạn ngắn vào các trận mưa thời đoạn dài trạm Hưng Yên thời kỳ 2050 77

Bảng 2.20 Tổng hợp sự phụ thuộc giữa các trận mưa thời đoạn ngắn vào các trận mưa thời đoạn dài và tỷ trọng giữa các trận mưa giai đoạn 2030 77

Bảng 2.21 Sự phụ thuộc mưa thời đoạn ngắn vào mưa thời đoạn dài GĐ 2050 77

Bảng 2.22 Mô hình mưa tiêu thiết kế (10%) giai đoạn 2030 - Ninh Bình 80

Bảng 2.23 Mô hình mưa tiêu thiết kế (10%) giai đoạn 2030 – Nam Định 80

Bảng 2.24 Mô hình mưa tiêu thiết kế (10%) giai đoạn 2050 – Ninh Bình 80

Bảng 2.25 Mô hình mưa tiêu thiết kế (10%) giai đoạn 2050 – Nam Định 81

Bảng 2.26 Diện tích các loại đất khu vực BNH qua các giai đoạn 81

Bảng 2.27 Tổng hợp hệ số tiêu các giai đoạn 82

Bảng 2.28 Số khu ngập và các đoạn kênh ngập qua các thời kỳ 82

Bảng 2.29 Thời gian ngập tại các khu ngập qua các thời kỳ 83

Bảng 3.1 Nhu cầu tiêu nước cho các tiểu lưu vực trong giai đoạn hiện tại 87

Bảng 3.2 Nhu cầu tiêu nước cho các tiểu lưu vực trong giai đoạn 2030 88

Bảng 3.3 Nhu cầu tiêu nước cho các tiểu lưu vực trong giai đoạn 2050 88

Bảng 3.4 Kết quả tính cân bằng nước của các lưu vực tiêu 89

Bảng 3.5 Khả năng đáp ứng nhu cầu tiêu của các lưu vực tiêu trong các giai đoạn 90 Bảng 3.6 Hệ số tiêu theo α, Htrữ, giai đoạn 2030 Trạm Nam Định (l/s-ha) 93

Bảng 3.7 Hệ số tiêu theo α, Htrữ, giai đoạn 2030 Trạm Phủ Lý (l/s-ha) 93

Bảng 3.8 Hệ số tiêu bình quân toàn hệ thống theo α, Htrữ, giai đoạn 2030 94

Bảng 3.9 Hệ số tiêu theo α, Htrữ, giai đoạn 2050 Trạm Hưng Yên (l/s-ha) 95

Bảng 3.10 Hệ số tiêu theo α, Htrữ, giai đoạn 2050 Trạm Ninh Bình (l/s-ha) 95

Bảng 3.11 Hệ số tiêu bình quân toàn hệ thống theo α, Htrữ, giai đoạn 2050 96

Bảng 3.12 Kết quả so sánh tần suất xuất hiện mưa trong đồng và tần suất xuất hiện mực nước sông tương ứng ở trạm bơm Như Trác 103

Bảng 3.13 Tổng hợp kết quả tính toán tổn thất cột nước và điện năng lãng phí tại trạm bơm Nhân Hòa từ năm 2004 đến năm 2011 106

Bảng 3.14 Các thông số thiết kế của trạm bơm Cốc Thành 109

x

Bảng 3.15 Tổng hợp kết quả tính điện năng tiêu thụ của trạm bơm Cốc Thành từ năm 1990 đến năm 2012 theo các phương án (Kwh) 110Bảng 3.16 Cao trình và cột nước bơm thiết kế theo các phương án 124Bảng 3.17 Thông số làm việc của máy bơm theo các phương án 126 Bảng 3.18 Chi phí xây dựng công trình tháo theo các phương án mực nước thiết

kế 127Bảng 3.19 Chi phí điện năng bình quân năm theo các phương án mực nước thiết

kế 129Bảng 3.20 Chi phí điện năng quy về năm đầu (Cđnj) theo các phương án mực nước thiết kế 130Bảng 3.21 Tổng chi phí xây dựng, quản lý vận hành quy về năm đầu theo các

phương án mực nước thiết kế 132

xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

BĐKH - Biến đổi khí hậu

BĐKH NBD - Biến đổi khí hậu nước biển dâng

AGCM/MRI - Mô hình của Viện nghiên cứu khí tượng Nhật Bản

PRECIS - Mô hình khí hậu khu vực của Trung tâm khí tượng Hadlay Vương quốc Anh

CCAM - Mô hình khí quyển bảo giác lập phương

RegCM - Mô hình khí hậu khu vực

clWRF - Mô hình WRF phiên bản cho nghiên cứu khí hậu

SRES - Báo cáo đặc biệt về kịch bản phát thải

A1FI - Kịch bản phát thải cao nhất

B2 - Kịch bản phát thải trung bình

B1 - Kịch bản phát thải thấp

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Hệ thống tiêu Bắc Nam Hà (BNH) là một trong những hệ thống tiêu động lực lớn nhất

ở Việt Nam, với tổng diện tích tiêu 85.326 ha thuộc khu vực đồng chiêm trũng của các tỉnh Nam Định, Hà Nam Trước khi xây dựng hệ thống 6 trạm bơm điện lớn, đây là vùng bị úng ngập nghiêm trọng, tình trạng ngập úng thường xuyên diễn ra trong mùa mưa, chỉ với trận mưa 150mm đã gây ngập lụt cho toàn vùng trong thời gian dài và người dân đã phải thốt lên “Thà rằng ở vậy cho xong, chớ đi lấy chồng ở chốn đồng chiêm”, bởi cái cảnh sống ngâm da và chết ngâm xương

Trong thập niên 1960 - 1970, Nhà nước đã đầu tư xây dựng hệ thống 6 trạm bơm điện lớn: Như Trác, Hữu Bị, Cốc Thành, Cổ Đam, Vĩnh Trị, Nhâm Tràng với tổng lưu lượng bơm tiêu là 220 m3/s, hệ số tiêu bình quân toàn vùng đạt 2,9 l/s/ha Sau khi hoàn thành xây dựng hệ thống 6 trạm bơm lớn, bước đầu đã giải quyết được tình trạng ngập úng thường xuyên trong khu vực và nâng diện tích cấy lúa vụ mùa và diện tích trồng màu lên đáng kể

Trải qua hơn 50 năm khai thác vận hành, sau nhiều lần quy hoạch, đầu tư xây dựng bổ sung, một số trạm bơm đã được xây dựng để nâng cao năng lực tiêu cho hệ thống như: Nhân Hòa, Vĩnh Trị 2, Sông Chanh, Quang Trung…đã nâng hệ số tiêu của hệ thống lên 4,67l/s/ha với tổng lưu lượng bơm là 350,49m3/s

Tuy nhiên, trải qua một quá trình phát triển kinh tế - xã hội, trong hệ thống đã có nhiều biến động lớn: Cơ cấu kinh tế, cơ cấu cây trồng vật nuôi có những thay đổi đáng kể; diện tích dành cho công nghiệp, khu dân cư và đô thị tăng nhiều, kéo theo là việc san lấp ao, hồ cũng gia tăng, cùng với tác động tiêu cực của Biến đổi khí hậu, nước biển dâng, đã làm cho nhu cầu tiêu nước của hệ thống tăng lên rất nhanh Bên cạnh đó, hệ thống công trình thuỷ lợi sử dụng lâu năm đã xuống cấp, không còn đảm bảo năng lực thiết kế, hệ thống kênh trục dẫn nước bị bồi lắng, công trình bị lấn chiếm đã làm hạn chế đáng kể năng lực tiêu, dẫn đến sự mất cân đối nghiêm trọng giữa năng lực tiêu và nhu cầu tiêu của hệ thống, nên tình trạng ngập úng trong khu vực xảy ra thường xuyên

2

và ngày càng khốc liệt, làm ảnh hưởng lớn đến phát triển kinh tế, xã hội và đời sống nhân dân trong vùng

Với những lý do đã nêu trên, đề tài: “Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học đề xuất

giải pháp nhằm nâng cao năng lực và hiệu quả của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong điều kiện biến đổi khí hậu nước biển dâng” đã được đề xuất để nghiên cứu

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Đánh giá tác động và khả năng đáp ứng yêu cầu tiêu của hệ thống Bắc Nam Hà trong điều kiện BĐKH, NBD;

- Xây dựng cơ sở khoa học cho việc đề xuất giải pháp nhằm nâng cao năng lực và hiệu quả của của hệ thống Bắc Nam Hà

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Hệ thống tiêu nước bằng động lực; nhu cầu tiêu và các biện pháp tiêu nước mặt do tác động của sự thay đổi các yếu tố tự nhiên và xã hội

- Phạm vi nghiên cứu ứng dụng là hệ thống tiêu Bắc Nam Hà và các vùng có điều kiện

tự nhiên, xã hội và công trình tương tự

4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan các công trình khoa học liên quan đến đề tài;

- Đánh giá năng lực tiêu trong giai đoạn hiện tại và nguyên nhân gây nên ngập úng

- Nghiên cứu ảnh hưởng của BĐKH, NBD đến nhu cầu tiêu của hệ thống; đánh giá năng lực tiêu của hệ thống hiện tại trong điều kiện BĐKH, NBD;

- Cân bằng nước cho hệ thống trong các giai đoạn hiện tại, 2030 và 2050;

- Xây dựng quan hệ giữa hệ số tiêu với tỷ lệ diện tích ao hồ và chiều sâu trữ làm cơ sở cho việc quy hoạch và đề xuất giải pháp tiêu cho hệ thống;

- Xây dựng phương pháp xác định tần suất mực nước sông để thiết kế trạm bơm đảm bảo tổng chi phí xây dựng và quản lý vận hành công trình nhỏ nhất

3

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp kế thừa: Nghiên cứu tiếp thu và sử dụng có chọn lọc kết quả nghiên cứu và thành tựu khoa học của các tác giả đã nghiên cứu về những vấn đề có liên quan

- Phương pháp điều tra, thu thập tài liệu: Điều tra, thu thập tài liệu, khảo sát và nghiên cứu thực tế, phân tích đánh giá và tổng hợp tài liệu để từ đó rút ra các cơ sở khoa học

và khả năng ứng dụng vào thực tiễn

- Phương pháp mô hình mô phỏng: Sử dụng mô hình toán để mô phỏng hệ thống tiêu

- Phương pháp phân tích thống kê: Sử dụng trong tính toán tần suất mưa, mực nước sông thiết kế và xây dựng hàm hồi quy thực nghiệm

- Phương pháp tối ưu hóa: Để xác định tần suất mực nước sông thiết kế tối ưu

- Phương pháp phân tích tổng hợp

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu

- Ý nghĩa khoa học: Luận án đã cung cấp được phương pháp luận khoa học cho việc xác định tần suất mực nước sông thiết kế hợp lý đảm bảo tổng chi phí xây dựng và quản lý vận hành các trạm bơm tiêu là nhỏ nhất; xây dựng được mối quan hệ giữa hệ

số tiêu với tỷ lệ diện tích ao hồ và chiều sâu trữ cho hệ thống BNH

- Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã xác định được nhu cầu tiêu và đánh giá năng lực tiêu của hệ thống trong điều kiện BĐKH, NBD; Xây dựng được cơ sở khoa học cho cho việc đề xuất giải pháp quy hoạch các hồ điều hòa đa mục tiêu nhằm giảm nhu cầu tiêu.

4

1.1 Tổng quan hệ thống tiêu Bắc Nam Hà

Hệ thống thủy nông Bắc Nam Hà là một trong số 22 vùng thủy lợi của Đồng Bằng Bắc

Bộ, hệ thống có nhiệm vụ tưới cho 59.000ha đất nông nghiệp; tạo nguồn cấp nước sinh hoạt cho khoảng 1,2 triệu dân, các khu công nghiệp và các cơ sở sản xuất tiểu thủ công nghiệp trong vùng; Tiêu nước, chống ngập úng cho khoảng 85.326ha diện tích phía trong đê, hỗ trợ tiêu cho diện tích trong bối ngoài đê khoảng 15.025 ha

Trước khi xây dựng hệ thống 6 trạm bơm điện lớn, đây là vùng bị úng ngập nghiêm trọng, tình trạng úng ngập thường xuyên diễn ra trong mùa mưa, chỉ với trận mưa 150mm đã gây nên ngập lụt toàn vùng trong thời gian dài Trong thập niên 60, 70 của thế kỷ 20 nhà nước đã đầu tư xây dựng hệ thống 6 trạm bơm điện lớn: Như Trác, Hữu

Bị, Cốc Thành, Cổ Đam, Vĩnh Trị, Nhâm Tràng với tổng lượng bơm tiêu ra ngoài khu vực 220 m3/s, hệ số tiêu bình quân toàn vùng đạt 2,9 l/s/ha Sau khi hoàn thành xây dựng hệ thống 6 trạm bơm lớn, bước đầu đã giải quyết được tình trạng ngập úng thường xuyên trong khu vực và nâng diện tích cấy lúa vụ mùa lên đáng kể

Trải qua hơn 50 năm khai thác, vận hành, sau nhiều lần quy hoạch, đầu tư xây dựng bổ sung, một số trạm bơm đã được xây dựng để nâng cao năng lực tiêu của hệ thống như: Nhân Hòa, Vĩnh Trị 2, Sông Chanh, Quang Trung…đã nâng hệ số tiêu của hệ thống lên 4,67l/s/ha với tổng lưu lượng bơm ra ngoài khu vực đạt 350,49m3/s

Trong thời gian qua cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, hệ thống đã có nhiều biến động lớn: cơ cấu kinh tế, cây trồng vật nuôi có những thay đổi đáng kể; tốc độ công nghiệp, đô thị hoá nhanh cùng với tác động tiêu cực của BĐKH NBD đã làm cho nhu cầu tiêu nước của hệ thống tăng rất nhanh Bên cạnh đó hệ thống công trình thuỷ lợi sử dụng lâu năm đã xuống cấp, không còn đảm bảo năng lực thiết kế; hệ thống kênh trục dẫn nước bị bồi lắng; công trình bị lấn chiếm làm hạn chế đáng kể năng lực tiêu của

hệ thống dẫn đến sự mất cân đối nghiêm trọng giữa năng lực tiêu và nhu cầu tiêu của

hệ thống, nên tình trạng ngập úng trong khu vực xảy ra thường xuyên và ngày càng khốc liệt

5

Với những lý do trên, tác giả đã lựa chọn hệ thống tiêu Bắc Nam Hà để nghiên cứu trong luận án này

1.1.1 Vị trí địa lý và đặc điểm địa hình

Bắc Nam Hà là vùng đồng chiêm trũng của Đồng bằng Bắc Bộ, nằm trải dài từ

20o36’15” đến 20o36’45” vĩ độ bắc, bề ngang kéo dài từ 105o5’ đến 106o13’ kinh độ đông và được bao bọc bởi 4 sông lớn:

Hình 1.1 Sơ họa địa giới hành chính Hệ thống Bắc Nam Hà [1]

- Phía Bắc giáp sông Châu, sông Hồng;

- Phía Nam giáp sông Đáy, sông Đào;

6

- Phía Đông giáp sông Hồng, sông Nam Định (Sông Đào);

- Phía Tây giáp sông Đáy

Tổng diện tích tự nhiên của hệ thống 91.839 ha, trong đó có 85.326 ha đất trong đê của

8 huyện, thị ở các tỉnh Nam Định, Hà Nam Các huyện thị của tỉnh Nam Định gồm: Thành phố Nam Định, huyện Mỹ Lộc, Vụ Bản, Ý Yên; các huyện, thị của tỉnh Hà Nam gồm: Thành phố Phủ Lý, huyện Thanh Liêm, Bình Lục, Lý Nhân

Đặc điểm địa hình của hệ thống khá phức tạp, cao thấp xen kẽ, nhiều khu vực lòng chảo; hướng dốc từ Tây Bắc xuống Đông Nam Ruộng đất phần lớn ở cao độ (+0,75 ÷ +1,5)m; các khu vực cao thuộc Bắc Lý Nhân, ven sông Đào, sông Châu; các khu vực trũng, thấp có cao độ từ (+0,7 ÷ +0,8)m phân bố tại Vụ Bản, Bình Lục, Ý Yên

Tình hình phân bố cao độ ruộng đất thể hiện trong bảng sau

Bảng 1.1 Phân bố cao độ ruộng đất khu vực Bắc Nam Hà [2]

Mưa trong khu vực có một số đặc điểm sau:

- Trận mưa lớn nhất năm có thể xuất hiện vào tất cả các tháng trong mùa mưa; các trận mưa lớn thường tập trung nhiều vào các tháng 7, 8, 9

- Lượng mưa có sự thay đổi rất lớn giữa 4 trạm đo mưa bao quanh hệ thống BNH; nhiều trận mưa lớn ở các khu vực trên hệ thống không cùng thời gian xuất hiện Do vậy, không thể dùng một trạm đo để tính toán đại diện cho cả hệ thống, mà cần phải có phương pháp tính phù hợp để xác định sát thực giá trị mưa trên từng tiểu lưu vực trong quá trình tính toán

- Đối với các trận mưa dài ngày, đỉnh mưa xuất hiện hầu như không có quy luật

1.1.2.2 Đặc điểm sông ngòi và chế độ thủy văn

Bao quanh Hệ thống tiêu Bắc Nam Hà có các sông: Sông Hồng chảy qua phía Đông, Bắc với chiều dài 36 km; Sông Đào chảy qua phía Nam nối liền sông Hồng và sông Đáy, chiều dài 30 km; sông Đáy chảy qua phía Tây, Nam với chiều dài 65 km; sông Châu chảy trên phía Bắc, thông với sông Đáy qua cống Phủ Lý Những con sông này ngoài nhiệm vụ cấp nước tưới, còn là nơi nhận nước tiêu cho khu vực

- Sông Hồng: Là con sông có hàm lượng phù sa lớn, cung cấp nguồn nước tưới cho lưu vực và cũng là nơi nhận nước tiêu cho hệ thống BNH; sông có chiều rộng trung bình khoảng (500 - 600)m; lũ trên sông Hồng bắt đầu từ tháng VI đến hết tháng X, lũ chính vụ thường từ 15/VII đến 15/VIII Về mùa lũ nước sông thường dâng cao hơn mực nước trong đồng từ (6 – 7)m làm ảnh hưởng lớn đến việc tiêu úng

8

- Sông Đáy: Chảy ở phía Tây và phía Nam lưu vực, sông Đáy trước đây là một phân lưu của sông Hồng, đến năm 1937 sau khi xây dựng đập Đáy nước lũ sông Hồng không thường xuyên vào sông Đáy nữa, sông Đáy trở thành sông nội địa

Bảng 1.2 Các mực nước tháng trên sông Hồng, sông Đáy, sông Đào [1]

Ngoài những sông tiêu trực tiếp liên quan đến khu vực nêu trên, còn có những sông gián tiếp ảnh hưởng đến hệ thống như: sông Đuống, sông Luộc, sông Trà lý Hàng năm, về mùa lũ, nước trên thượng nguồn dồn về khu vực đã được phân sang các sông Đuống, sông Luộc và sông Trà Lý, song vẫn còn trên 50% lượng nước lũ phía thượng nguồn dồn về khu vực Do vậy, Hệ thống tiêu Bắc Nam Hà là khu vực chịu ảnh hưởng

- Sông Sắt dài 37,7 km là trục tiêu chính của hệ Vĩnh Trị;

- Sông Châu dài 27,3 km là trục tiêu của hệ Hữu Bị;

- Sông Mỹ Đô dài 10,5 km là trục tiêu của hệ Cổ Đam;

- Sông Kinh Thủy dài 18,0 km là trục tiêu của hệ Cổ Đam;

- Sông Biên Hòa dài 12,6 km là trục tiêu của hệ Cổ Đam;

- Sông Chanh dài 8,8 km là trục tiêu của hệ Cốc Thành

Bảng 1.3 Mức báo động tại một số vị trí trên sông [1]

Mức báo động (m) Thiết kế (m)

Hmax (bể xả)

Hmin (bể hút)

10

1.1.3 Hiện trạng hệ thống tiêu Bắc Nam Hà

1.1.3.1 Các công trình đầu mối đã xây dựng

Hệ thống thủy nông Bắc Nam Hà hiện có 15 trạm bơm tiêu lớn và 477 trạm bơm nhỏ, trạm bơm nội đồng để phục vụ tưới, tiêu cục bộ với tổng diện tích cần tiêu là: 85.326

ha Hầu hết các trạm bơm lớn được xây dựng từ những năm 60, 70 của thế kỷ trước Những năm gần đây do tình trạng úng ngập thường xuyên xảy ra trong khu vực nên hệ thống đã được đầu tư xây dựng thêm một số trạm bơm như Nhân Hòa, Vĩnh Trị 2, Kinh Thanh và các trạm bơm khác Thông số kỹ thuật, quy mô của một số trạm bơm như các bảng dưới

Bảng 1.4 Thông số kỹ thuật của một số trạm bơm [1]

Tên trạm

Số máy bơm (cái)

Loại máy bơm

Lưu lượng (m 3

/s) Hiệu

suất

Cao trình đáy bể hút

TT

TK 1 máy

TK toàn trạm

Thực tế toàn trạm

Triền sông Địa phận Quy mô (số

máy x m 3 /h)

Q TK

trạm (m 3 /s)

D.tích thiết kế Tưới

(ha)

Tiêu (ha)

1 Như Trác 1969 Hồng Lý Nhân 6 x 11.000 18 7.408 3.950

2 Hữu Bị 1 1966 Hồng Lý Nhân 4 x 32.000 32,0 8.312 6.158

5 Nhâm Tràng 1969 Đáy Th Liêm 6 x 11.000 18 5.447 4.655

6 Kinh Thanh 1993 Đáy Th Liêm 1 x 4.000 13,33 - 2.195

9 Cốc Thành 1964 Đào Vụ Bản 7 x 32.000 56 12.221 14.373

1.1.3.2 Hệ thống kênh mương và các công trình trên kênh

Kênh mương trên hệ thống đã được xây dựng tương đối hoàn chỉnh từ kênh chính đến kênh cấp III, toàn hệ thống có 10.077 km đường kênh trong đó có: 195 kênh cấp I với tổng chiều dài 973 km; 2151 kênh cấp II với tổng chiều dài 2.800 km; 17.230 kênh cấp III có tổng chiều dài 6244 km

Hệ thống có 243 cống dưới đê chính và 17.032 cống, đập điều tiết nội đồng:

- Cống An Bài điều tiết giữa 2 sông Châu và sông Sắt, chia tách thành các lưu vực tiêu của 2 hệ Vĩnh Trị và Hữu Bị

- Cống Mỹ Đô có nhiệm vụ điều tiết nước sông Sắt, và phân tách các lưu vực Cổ Đam và Vĩnh Trị

- Cống Cánh Gà điều tiết nước giữa sông Sắt và sông Tiên Hương, phân tách 2 lưu vực

12

Cốc Thành và Vĩnh Trị

- Cống La Chợ, điều tiết 2 lưu vực Hữu Bị và Cốc Thành

- Cống Vùa, điều tiết 2 lưu vực Như Trác và Hữu Bị

Bảng 1.6 Hệ thống kênh trục chính và cống điều tiết của 6 trạm bơm lớn [2]

12 8,6

Kênh T5-K.Chính Tây tại cống La Chợ;

S.Tiên Hương-S Sắt tại Cánh Gà;

S.Tiên Hương-S.Chanh; S Tiên Hương – Kênh T3

La Chợ, Cánh Gà

S.KinhThuỷ - Kênh T10; S.Kinh s.Biên Hoà; S.Mỹ Đô - S Sắt tại cống

Thuỷ-Mỹ Đô

Cầu Ghéo; Lầy;

Mỹ Đô; Nga Nam

1.1.3.3 Đánh giá hiện trạng các công trình đã có

* Về công trình đầu mối:

Các trạm bơm lớn máy móc, thiết bị đã cũ kỹ, thời gian làm việc từ (40 - 50) năm hiện tại đã xuống cấp nghiêm trọng, hiệu suất bơm không cao, lưu lượng thiết kế không đạt, hầu hết chỉ ở mức (75 - 80)% năng lực thiết kế Mặc dù trong hệ thống đã được xây dựng thêm một số trạm bơm nhằm nâng cao hệ số tiêu của hệ thống nhưng đến giai đoạn hiện tại hệ số tiêu của hệ thống cũng mới chỉ đạt 4,67l/s/ha, chưa đảm bảo nhu cầu tiêu thực tế đặt ra

13

* Về hệ thống kênh tiêu và các công trình trên kênh

Hầu như toàn bộ các tuyến kênh trên hệ thống đều bị bồi lấp mạnh gây ách tắc dòng chảy; do khối lượng bồi lấp quá lớn, nguồn kinh phí cho tu sửa, nạo vét hạn chế nên có những tuyến kênh từ năm 1964 trở lại đây chưa một lần được nạo vét, cao trình đáy kênh thực tế cao hơn nhiều so với đáy kênh thiết kế, phổ biến ở mức trên 1m, cá biệt

có nơi đến 2m đã gây ách tắc dòng chảy, làm giảm đáng kể việc tiêu thoát Mặt khác,

hệ thống các công trình trên kênh, công trình điều tiết được thiết kế theo các tiêu chuẩn

đã lạc hậu, qua quá trình khai thác lâu dài đã hỏng hóc, xuống cấp, nhiều công trình không còn phát huy tác dụng cũng đã làm ảnh hưởng đáng kể đến việc tiêu thoát nước cho hệ thống

* Về phân khu tiêu

Qua quá trình thực tế quản lý, khai thác hệ thống BNH đã hình thành 8 lưu vực tiêu sau: Lưu vực Như Trác; Lưu vực Hữu Bị; Lưu vực Cốc Thành; Lưu vực Vĩnh Trị; Lưu vực Cổ Đam; Lưu vực Nhâm Tràng; Lưu vực Đinh Xá, Triệu Xá và lưu vực Quang Trung Nhìn chung, việc phân lưu vực tiêu còn chưa hợp lý: Một số lưu vực tiêu có đường dẫn nước quá dài như lưu vực Vĩnh Trị có sông Sắt dài 37,7 km song khu tiêu Vĩnh Trị lại có hệ số tiêu thấp nhất so với các khu tiêu khác (mới chỉ đạt 1,90 l/s/ha) nên việc tiêu nước cho khu vực này gặp phải rất nhiều khó khăn, các khu vực ở xa công trình đầu mối thường xuyên bị ngập úng Hệ số tiêu giữa một vài lưu vực chênh lệch nhau khá lớn, trong khi vấn đề quản lý vận hành còn rất nhiều khó khăn, chưa có một quy trình vận hành chặt chẽ, hiệu quả để giải quyết được các vấn đề tiêu hỗ trợ giữa các lưu vực tiêu

14

điều tra, trong vài chục năm gần đây, hầu như năm nào cũng có úng ngập đối với sản xuất nông nghiệp trong vùng Một số năm ngập úng điển hình là các năm 1994, 1996,

1997, 2001, 2003, 2004, 2005, 2007, 2008 và 2016 Năm có diện tích ngập úng lớn nhất trên 50 nghìn ha (2005); năm có diện tích mất trắng lớn nhất trên 10 nghìn ha (2004)

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về tác động của BĐKH, NBD đến các hệ thống tiêu nước

1.2.1 Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới về tác động của BĐKH, NBD đến các

đó đánh giá được ảnh hưởng đến dòng chảy trong hệ thống tiêu thoát nước đô thị

* O Mark, G Svensson và nnk [4] - Nghiên cứu Phân tích và thích nghi với những tác động của BĐKH đến những hệ thống tiêu Mục đích của nghiên cứu là nâng cao hiểu biết và kiến nghị chiến lược thích ứng BĐKH đối với các hệ thống thoát nước nhằm giảm thiểu tổn thương do BĐKH gây ra Nghiên cứu đã phân tích ảnh hưởng của BĐKH đến sự thay đổi trong biểu đồ mưa ở những nước Bắc Âu và đã phác thảo chiến lược giảm thiểu tác động của BĐKH đến các hệ thống tiêu Nghiên cứu đã tập trung vào: hướng dẫn liên quan đến chiến lược giảm thiểu tác động của BĐKH đến các hệ thống tiêu; hướng dẫn về cách thực hiện phân tích đánh giá tác động của BĐKH đến

hệ thống tiêu và giới thiệu kết quả phân tích tác động của BĐKH đến những hệ thống tiêu ở Helsingborg, Kalmar Sweden và Odense của Đan Mạch

* K Berggren [5] - Nghiên cứu Những chỉ số để đánh giá tác động của BĐKH đến tiêu nước Nghiên cứu đã khảo sát những chỉ số được sử dụng để mô tả và so sánh những tác động và những biện pháp thích ứng trong những hệ thống tiêu hiện có Những vấn đề của hệ thống tiêu dưới tác động của BĐKH như: ngập lụt bề mặt, sự

15

tăng của lưu lượng tiêu thoát, sự tăng của dòng chảy về trạm xử lý nước Nghiên cứu

đề xuất rằng, những tác động của BĐKH cần được mô tả với những chỉ số kể đến tình trạng của hệ thống tiêu trước, trong và sau mỗi trận mưa gây ngập

* Linmei Nie,Oddvar Lindholm và nnk [6] - Nghiên cứu Tác động của BĐKH đến những hệ thống tiêu đô thị - Một nghiên cứu điển hình ở Fredrikstad, Norway Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng bất lợi của BĐKH đến úng ngập bề mặt, hiện tượng tràn kênh, dòng chảy qua tràn tách nước mưa được phân tích Dựa trên những kịch bản BĐKH đã có, nghiên cứu đã chỉ ra rằng, tổng lượng nước ngập tại các giếng thu nước mưa tăng lên (2 - 4) lần, lượng tăng của mưa và tổng dòng chảy tràn tại các tràn tách nước mưa của hệ thống cống chung sẽ tăng (1,5 - 3) lần mức tăng của mưa Kết quả

mô phỏng cũng chỉ rằng, số lượng các giếng thu bị ngập và số lượng đoạn cống, mương bị tràn có thể thay đổi đột ngột và không đều với sự thay đổi không đáng kể của mưa và thay đổi theo các trận và thời lượng mưa

* Eric A Rosenberg [7] - Nghiên cứu mưa cực hạn và những tác động của BĐKH đến công trình tiêu nước ở bang Washington Tác giả đã sử dụng số liệu mưa đo đạc trong quá khứ và số liệu mưa mô phỏng để đánh giá những thay đổi trong phân bố xác suất của mưa cực hạn ở vùng nghiên cứu Mưa đo đạc sử dụng trong khoảng thời gian 1949

- 2007 và mưa tương lai được xác định từ mô hình khí hậu vùng WRF trong khoảng thời gian 1970 - 2000 và 2020 - 2050 và thu phóng từ mô hình khí hậu toàn cầu ECHAM5 và CCSM3 Chuỗi mưa giờ từ phân tích thống kê được sử dụng như đầu vào của mô hình thủy văn HSPF để mô phỏng dòng chảy trong 2 lưu vực đô thị ở miền trung Puget Sound Nghiên cứu kết luận rằng, những công trình tiêu nước được thiết

kế khi sử dụng số liệu mưa trong thế kỷ 20 cần thiết phải được nâng cấp với tiêu chuẩn thiết kế mới để có thể đáp ứng được yêu cầu tiêu do BĐKH gây ra

* Supria Paul, A.K.M Saiful Islam và nnk [8] - Nghiên cứu Tác động của BĐKH đến những hệ thống tiêu đô thị ở ba thị trấn ven biển của Bangladesh Trong nghiên cứu này, mô hình SWMM đã được sử dụng để đánh giá những điều kiện tiêu thoát trong tương lai cho 3 vùng thị trấn ven biển là Amtali, Galachipa và Pirojpur Mưa thiết kế thời lượng 2 giờ, tần suất 10% và mực nước của những sông bao quanh tần suất 5% đã được chọn để mô phỏng hệ thống tiêu Đối với mưa tương lai, những thông tin BĐKH

16

phân giải cao đã được tạo ra qua sử dụng kịch bản phát thải trung bình SRES A1B được tính từ mô hình khí hậu vùng REGCM3 Số liệu mực nước biển dâng từ nguồn cấp hai đã được bổ sung với tần suất 5% để mô phỏng kịch bản tương lai Đô phân giải DEM 10 m đã được sử dụng để mô tả địa hình lưu vực và hệ thống tiêu Kết quả mô phỏng đã cho thấy rằng, những mương nhánh cấp 2 sẽ không đủ năng lực để dẫn nước mưa ứng với trận mưa thiết kế và vùng ngập úng sẽ tăng lên đáng kể từ sau năm 2030

* Ahmed S, Tsanis I [9] - Nghiên cứu Tác động của BĐKH đến mưa thiết kế và năng lực của hệ thống quản lý nước mưa - Một nghiên cứu điển hình ở lưu vực tiêu miền núi phía Tây miền Trung Canada Nghiên cứu này đánh giá tác động tiềm năng của sự thay đổi lượng mưa cực hạn đến những hệ thống tiêu ở vùng núi phía Tây miền Trung Canada Mưa thiết kế cho vùng nghiên cứu được tính toán từ dữ liệu quan trắc và kết quả mô phỏng khí hậu từ Chương trình đánh giá biến đổi khí hậu vùng Bắc Mỹ (NARCCAP) dựa trên kịch bản SRES A2 Phân tích tần suất đã được thực hiện dựa trên chuỗi số liệu lượng mưa lớn nhất năm qua sử dụng phân bố xác suất phù hợp nhất Kiểm định Pearson và Kolmogorov-Smirnov đã được sử dụng để kiểm tra sự phù hợp (goodness of fit) của các phân bố xác suất Kết quả chỉ rằng, phân bố L-moment đã được chọn là phân bố tốt nhất Lượng mưa thiết kế được tính toán từ số liệu đo đạc và

mô hình khí hậu được sử dụng như đầu vào mô hình SWMM để mô phỏng dòng chảy

và phân tích thủy lực cho hệ thống tiêu thoát nước Kết quả cho thấy rằng, khi lượng mưa mùa lũ tăng lên theo các kịch bản BĐKH cần thiết phải cập nhật, điều chỉnh tiêu chuẩn thiết kế đối với hệ thống kênh nhánh, hồ điều hòa trong vùng Kết quả đánh giá cũng cho rằng, hệ thống tiêu thoát sẽ bị hư hỏng dưới tác động của BĐKH

1.2.2 Tổng quan các nghiên cứu về tác động của BĐKH, NBD đến các hệ thống tiêu nước ở Việt Nam

Mặc dù BĐKH là hiểm họa mang tính toàn cầu, nhưng nó mới chỉ thực sự bắt đầu được nghiên cứu ở Việt Nam vào những năm 1990, song bước đầu đã có các chương trình, đề tài, dự án đã và đang nghiên cứu về tác động của BĐKH, NBD đến các công trình thủy nói chung và các công trình tiêu nói riêng

17

* Bùi Nam sách [10]- Nghiên cứu sự biến đổi của nhu cầu tiêu và biện pháp tiêu nước cho hệ thống thủy nông Nam Thái Bình có xét đến ảnh hưởng của BĐKH toàn cầu Tác giả đã chỉ ra một số kết quả sau:

+ Về hệ số tiêu: Nếu chỉ xét riêng về ảnh hưởng của BĐKH đến yêu cầu tiêu thì hệ số

tiêu mặt ruộng, lưu lượng tiêu thiết kế của các công trình đầu mối và tổng lượng nước cần tiêu của hệ thống thủy nông tăng theo tỷ lệ thuận với mức độ tăng của tổng lượng trận mưa tiêu thiết kế Nếu xét thêm ảnh hưởng của biến động cơ cấu sử dụng đất do công nghiệp hoá và đô thị hoá mang lại thì so với thời điểm hiện tại khi lượng mưa tiêu tăng thêm 3,1% thì hệ số tiêu thiết kế tăng 5,62%, khi lượng mưa tăng thêm 7,9% thì hệ số tiêu thiết kế tăng 17,12% và khi lượng mưa tăng thêm 19,1% thì hệ số tiêu tăng 35,65%

+ Về biện pháp tiêu: vùng tiêu tự chảy giảm từ 82,54% diện tích cần tiêu tại thời điểm

hiện nay xuống còn 62,9% vào năm 2020, 39,90% vào năm 2050 và 33,10% vào năm

2100 Ngược lại quy mô vùng tiêu bằng động lực tăng lên tương ứng với mức độ giảm của vùng tiêu tự chảy: tăng từ 10.435ha ở thời điểm hiện nay lên 20.958ha vào năm

2020, 34.670ha vào năm 2050 và 38.732ha vào năm 2100

- Với hệ số tiêu thiết kế đang áp dụng trong hệ thống thủy nông Nam Thái Bình khoảng 7,0 l/sha, ở thời điểm hiện tại các công trình tiêu nước đã có trên hệ thống này mới chỉ có khả năng đáp ứng được khoảng 60% nhu cầu tiêu, đến năm 2020 đáp ứng được 58%, năm 2050 đáp ứng được trên 52% và năm 2100 đáp ứng được trên 45% nhu cầu tiêu

* Theo Viện Quy hoạch Thủy lợi [11], [12] tác động của BĐKH, NBD đến hệ thống tiêu nước Đồng Bằn Bắc Bộ như sau:

- Kết quả tính toán hệ tiêu với kịch bản BĐKH, NBD theo các giai đoạn: Tổng lượng mưa 5 ngày max đến năm 2020 tăng từ (2 - 5)% so với hiện tại (năm 2010), đến năm

2030 tăng từ 6% so với hiện tại, đến năm 2050 tăng từ (7 - 9)% so với hiện tại, năm

2100 tăng từ (10 - 18)% so với hiện tại Tính toán tiêu với cơ cấu sử dụng đất 2010,

2020, 2030, 2050 theo mưa các giai đoạn đến năm 2010, 2020, 2030, 2050 kết quả tính hệ số tiêu đều tăng lên nhiều so với hiện tại, do mưa tăng lên, đồng thời với quá

18

trình công nghiệp, đô thị hoá ngày càng tăng, vì vậy ao hồ, đất nông nghiệp càng bị thu hẹp nên khả năng trữ nước ngày càng giảm, thời gian tiêu càng phải tiêu gấp rút hơn

- Toàn vùng có diện tích cần tiêu 1.162.160ha, đến năm 2050 do ảnh hưởng biến đổi khí hậu lượng mưa thời đoạn tiêu tăng, cùng với tốc độ phát triển đô thị, công nghiệp trong vùng tăng nên nhu cầu tiêu tăng lên 35,7% so với hiện tại, mực nước chân triều tại vùng ven biển tăng lên sẽ gây ảnh hưởng tới tiêu thoát, cần nâng cấp, xây mới các công trình tiêu đầu mối và nội đồng, kết hợp nạo vét các trục tiêu trong các hệ thống

- Đến năm 2030, mực nước trên sông Hồng, sông Đuống, sông Thái Bình và các triền sông khác đều tăng lên khoảng (0,20 - 0,26)m, ở vùng ảnh hưởng triều do tác động của tăng lên của mực nước biển nên mực nước trên các triền sông đều tăng lên khoảng (0,18 - 0,20)m Riêng lưu lượng tiêu đổ vào sông Đáy tăng lên khá nhiều, đoạn từ Ba Thá trở xuống lưu lượng tăng lên khoảng 300 m3/s, làm cho mức độ tăng mực nước trên sông Đáy, sông Hoàng Long là khá lớn, tại Ba Thá tăng thêm 1,28m, Phủ Lý 0,73m các đoạn sông còn lại khoảng (0,30 - 0,48)m

- Đến năm 2050 Mực nước trên sông Hồng tăng lên khoảng 0,42m, ở vùng ảnh hưởng triều do tác động của tăng lên của mực nước biển nên mực nước trên các triền sông đều tăng lên khoảng (0,30 - 0,50)m Lưu lượng tiêu vào sông Đáy tăng thêm khoảng (400 – 500)m3/s, mực nước trung bình tại Ba Thá lên đến 5,3m tăng thêm 1,40m so với hiện nay, tại Phủ Lý cũng tăng thêm đến 1,10m các đoạn sông còn lại khoảng (0,30 - 0,48)m

* Thái Hoàng Vũ [13] - Nghiên cứu Ảnh hưởng của mực nước biển dâng do BĐKH đến thoát nước đô thị Hội An Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá ảnh hưởng của

sự dâng cao của mực nước biển do BĐKH đến thoát nước đô thị ở TP Hội An và đề xuất các giải pháp thoát nước phù hợp cho từng khu vực ngập úng Nghiên cứu sử dụng Kịch bản BĐKH, NBD năm 2009 của Bộ TN&MT và sử dụng phần mềm SWMM để mô phỏng hệ thống thoát nước đô thị TP Hội An

* Phạm Thế Vinh và nnk [14] - Nghiên cứu tính toán tiêu nước Thành phố Hồ Chí Minh có kể đến BĐKH Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng kịch bản về mưa để

19

xây dựng mô hình mưa tiêu thiết kế thời gian 3h, tần suất 50% và mực nước triều tương ứng với giai đoạn 2030 để làm biên tính toán cho mô hình thủy lực mô phỏng hệ thống tiêu thoát nước Thành phố Hồ Chí Minh

* Vũ Trọng Bằng [15] - Nghiên cứu Ảnh hưởng của BĐKH và quá trình đô thị hóa đến nhu cầu tiêu nước của hệ thống tiêu trạm bơm Đông Mỹ, Hà Nội Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng kịch bản BĐKH, NBD (B2) năm 2012 của Bộ TN&MT cho vùng Hà Nội Do Kịch bản BĐKH, NBD 2012 không có kịch bản về lượng mưa 5 ngày lớn nhất năm để tính toán mưa tiêu thiết kế, tác giả đã sử dụng tương quan giữa lượng mưa mùa hè và lượng mưa 5 ngày lớn nhất năm từ liệt mưa trong quá khứ Từ phương trình tương quan này và kịch bản về mức tăng lượng mưa mùa hè trong giai đoạn 2020, 2050, tác giả đã xác định được lượng mưa 5 ngày lớn nhất bình quân nhiều năm và lượng mưa 5 ngày lớn nhất tần suất 10% trong giai đoạn 2020, 2050 Sử dụng

mô hình mưa điển hình trong quá khứ, từ lượng mưa 5 ngày lớn nhất tần suất 10%, thu phóng có được mô hình mưa thiết kế trong giai đoạn 2020, 2050 Tác giả sử dụng phương pháp tính hệ số tiêu theo quy định hiện hành và mô hình SWMM để mô phỏng

hệ thống tiêu Kết quả tính toán đã chỉ ra rằng, đến năm 2020, nhu cầu tiêu của lưu vực tăng lên 2,13% và đến năm 2050, nhu cầu tiêu tăng lên 5,65% so với thời kỳ nền 1980-

1999 Hạn chế của nghiên cứu này là mô hình mưa tiêu thiết kế trong tương lai được xác định dựa trên kịch bản biến đổi lượng mưa mùa hè, trong khi tương quan giữa lượng mưa mùa hè và lượng mưa 5 ngày lớn nhất không cao nên kết quả tính lượng mưa 5 ngày lớn nhất không chính xác

* Đồng Xuân Nghĩa [16] - Nghiên cứu Ảnh hưởng của BĐKH đến nhu cầu tiêu nước của hệ thống tiêu Phú Sơn-Yên Bồ- Ba Vì, Hà Nội Tác giả đã sử dụng kịch bản BĐKH, NBD năm 2012 của Bộ TN&MT cho vùng Hà Nội (KB B2) Để tính toán mưa tiêu thiết kế, tác giả cũng đã sử dụng tương quan giữa lượng mưa mùa hè và lượng mưa 3 ngày lớn nhất năm từ liệt mưa trong quá khứ Từ phương trình tương quan này

và kịch bản về mức tăng lượng mưa mùa hè trong giai đoạn 2020, 2050, tác giả đã xác định được lượng mưa 3 ngày lớn nhất bình quân nhiều năm và lượng mưa 3 ngày lớn nhất tần suất 10% trong giai đoạn 2020, 2050 Sử dụng mô hình mưa điển hình trong quá khứ để thu phóng có được mô hình mưa thiết kế trong giai đoạn 2020, 2050 Tác

20

giả sử dụng phương pháp tính hệ số tiêu theo quy định hiện hành và mô hình SWMM

để mô phỏng hệ thống tiêu Kết quả tính toán đã chỉ ra rằng, đến năm 2020, nhu cầu tiêu của lưu vực tăng lên 3,53% và đến năm 2050, nhu cầu tiêu tăng lên 8,25% so với thời kỳ nền 1980-1999 Cũng như nghiên cứu của tác giả Vũ Trọng Bằng, hạn chế của nghiên cứu này là lượng mưa tiêu thiết kế trong tương lai được xác định dựa trên kịch bản biến đổi lượng mưa mùa hè, trong khi tương quan giữa lượng mưa mùa hè và lượng mưa 5 ngày lớn nhất không cao nên kết quả tính lượng mưa 5 ngày lớn nhất không chính xác

* Nguyễn Ân Niên, Nguyễn Phú Quỳnh [17]: Cơ sở xác định khẩu độ cống vùng bao

đê đồng bằng sông Cửu Long có tính đến ảnh hưởng của biến đổi khí hậu Nghiên cứu

đã chỉ ra rằng: Mực nước biển dâng trong 3 thập kỷ qua cỡ 8cm (mực nước Zmax tăng

cỡ 14cm) nhưng không phải mực nước chân triều cũng tăng theo mà lại giảm đi ở mức (5 - 6)cm Đó là cơ sở để xây dựng con triều tiêu thiết kế cùng với việc tăng lượng mưa tiêu lên (2 - 2,5)% do biến đổi khí hậu để tính toán khẩu độ cống tiêu các vùng trũng thấp được bao đê

Nhận xét:

- Một số nghiên cứu đã sử dụng số liệu dự báo mưa tương lai được tính toán từ các mô hình khí hậu vùng, mô hình khí hậu toàn cầu để đánh giá ảnh hưởng của BĐKH đến sự thay đổi của cường độ mưa và biểu đồ mưa, từ đó đánh giá được ảnh hưởng đến dòng chảy trong hệ thống tiêu Các nghiên cứu cũng chỉ ra lượng tăng của mưa và tổng dòng chảy tràn tại các tràn tách nước mưa của hệ thống cống chung sẽ tăng (1,5 - 3)lần mức tăng của mưa; các công trình tiêu nước được thiết kế khi sử dụng số liệu mưa trong thế

kỷ 20 cần thiết phải được nâng cấp với tiêu chuẩn thiết kế mới để có thể đáp ứng được yêu cầu tiêu do BĐKH gây ra…

- Một số nghiên cứu đã đánh giá, xem xét ảnh hưởng của BĐKH NBD đến khả năng làm việc của hệ thống tiêu Từ dự báo mức tăng lượng mưa, nước biển dâng cho tương lai do tác động của BĐKH NBD theo các kịch bản, các tác giả đã xác định được: Mức

độ tăng hệ số tiêu tương ứng theo từng thời kỳ; mức độ giảm diện tích của các các vùng tiêu tự chảy, mức độ tăng diện tích của các vùng tiêu bằng động lực; mức tăng mực nước trên các triền sông qua các thời kỳ…Và từ đó đề xuất một số giải pháp ứng

21

phó Để có trận mưa tiêu thiết kế cho các giai đoạn tương lai, các tác giả đã sử dụng phương pháp: Giả định mô hình phân phối trận mưa tiêu thiết kế tương lai và ngoại suy tỷ lệ tăng lượng mưa ngày max tương lai từ các quan hệ giữa lượng mưa ngày max với lượng mưa năm, mùa tháng của quá khứ với mức tăng lượng mưa năm, mùa, tháng của giai đoạn tương lai được dự báo từ các kịch bản BĐKH Tuy nhiên, mức tương quan giữa lượng mưa ngày max với lượng mưa năm, mùa, tháng của quá khứ lại rất thấp nên kết quả tính toán chưa có tính sát thực cao

Ngoài ra, một số nội dung còn chưa được nghiên cứu giải quyết gồm:

- Chưa có nghiên cứu ảnh hưởng của BĐKH, NBD đến khả năng làm việc của các trạm bơm tiêu

- Chưa có nghiên cứu, tính toán, đánh giá chi tiết ảnh hưởng của BĐKH, NBD đến các

hệ thống tiêu thoát nước bằng động lực ở vùng ĐBBB nói chung và hệ thống tiêu nước vùng Bắc Nam Hà nói riêng

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu về phương pháp xác định mực nước sông thiết kế cho các trạm bơm tiêu

Trong công tác thiết kế các trạm bơm nói chung, trạm bơm tiêu nói riêng, để lựa chọn được máy bơm và xác định các thông số thiết kế của công trình trạm, người thiết kế phải xác định được các mực nước thiết kế ở bể hút, bể tháo và cột nước của trạm bơm Theo Tiêu chuẩn kỹ thuật TCKT 05-2015/BNN cột nước thiết kế của trạm bơm tiêu được xác định theo công thức:

Trong đó: là cột nước thiết kế; là mực nước bể tháo thiết kế; là mực nước bể hút thiết kế; ∑ là tổng tổn thất cột nước trong đường ống hút, ống đẩy và các thiết bị trên đường ống

Cũng theo Tiêu chuẩn TCKT 05-2015/BNN, được xác định theo công thức:

22

Trong đó: là cao trình mực nước sông tại vị trí trạm bơm tính bình quân trong thời gian tiêu ứng với tần suất thiết kế ; là tổn thất cột nước từ bể xả đến sông tiêu (tổn thất cột nước từ bể tháo qua kênh tháo, qua cống tháo ra sông tiêu)

Theo quy chuẩn QCVN 04-05:2012/BNNPTNT: “Tần suất mực nước lớn nhất ở sông nhận nước tiêu để tính toán chế độ khai thác cho các công trình tiêu không lớn hơn các trị số sau đây: a) Tiêu cho nông nghiệp bằng biện pháp tự chảy hoặc động lực: tần suất thiết kế 10 % đảm bảo tiêu được đủ lưu lượng thiết kế; b) Tiêu cho các đối tượng khác nằm trong hệ thống thủy lợi (khu dân cư, đô thị, công nghiệp v.v ) theo quy định của chủ đầu tư và cơ quan quản lý nhưng không lớn hơn tần suất quy định tiêu cho nông nghiệp” Trong thực tế, hầu hết các trạm bơm tiêu đều được thiết kế với tần suất mực nước sông P = 10% do:

- Quy chuẩn thiết kế chỉ quy định chọn mực nước sông thiết kế không lớn hơn mực nước sông tương ứng với tần suất 10%

- Xuất phát từ quan niệm mưa trong đồng và mực nước lũ ngoài sông xuất hiện cùng tần suất, mà quy chuẩn quy định tần suất thiết kế mưa trong đồng với các công trình từ cấp III trở lên là 10%, do vậy hầu hết các trạm bơm tiêu đã được thiết kế với tần suất mực nước sông 10%, ngoại trừ một số trạm được thiết kế với mực nước sông bằng với mực nước báo động 3

* Theo tác giả Hoàng Lâm Viện [18] việc chọn tần suất mực nước sông thiết kế PTK = 10% là không hợp lý, làm lãng phí điện năng trong quá trình bơm tiêu

* Cũng theo tác giả Hoàng Lâm Viện [19]:

+ Chênh lệch mực nước giữa bên cao nhất và thấp nhất của phạm vi mực nước thường xuất hiện ở vùng giáp trung du (Sơn Tây) ΔZ =490 cm; vùng giữa từ (100 - 400)cm; vùng ven biển từ (25 -100)cm

+ Chênh lệch giữa mực nước bình quân 5 ngày max của sông ứng với tần suất P = 10% so với mực nước tương ứng xác suất xuất hiện lớn nhất trong sông ở vùng giữa từ (100 - 280)cm; vùng ven biển từ (30 - 42)cm

Để tiết kiệm năng lượng bơm tiêu, từ các kết quả thống kê, nghiên cứu, tác giả đã đề xuất: “Đối với vùng đồng bằng sông Hồng, sông Thái Bình và các vùng đồng bằng tương tự, mực nước bể tháo thiết kế nên xác định bằng mực nước bình quân vụ tiêu (từ tháng 6 đến tháng 10 hoặc từ tháng 7 đến tháng 9) ở miền Bắc Việt Nam ứng với tần suất P = 50%”

* Tác giả Trần Thanh Thủy [20] phát hiện một phương pháp xác định mực nước sông thiết kế của Ty Thủy lợi Giang Tô Trung Quốc như sau:

“ - Khi tiêu ra sông nhỏ không ảnh hưởng thủy triều với quan hệ mưa đồng và lũ sông chặt chẽ, hay tiêu ra sông lớn vùng ven biển mà mực nước sông chủ yếu là do thủy triều quyết định, thì dùng quan hệ cùng tần suất để tính toán tiêu

- Khi tiêu ra sông lớn mà nước sông do mưa lũ toàn vùng quyết định (quan hệ mưa đồng, lũ sông hầu như không có) thì không kể tần suất tiêu (PX)) là bao nhiêu đều dùng mực nước sông PH = 50% để thiết kế”

Từ phương pháp trên tác giả Trần Thanh Thủy đã nhận xét: “Cả hai trường hợp trên đều không nói rõ cơ sở tính toán (kinh nghiệm chăng?) Tuy vậy, đối với trường hợp lấy cùng tần suất trong điều kiện mưa lũ như vậy là hợp lý, còn đối với trườn hợp chỉ lấy PH = 50% có thể thiếu an toàn”

* Khi nghiên cứu xác định mực nước sông thiết kế hợp lý để xây dựng trạm bơm tưới tiêu nước, tác giả Bùi Văn Hức [21] đã đưa ra công thức xác định mực nước sông thiết

kế như sau:

̅̅̅

* Để tiết kiệm điện năng trong quá trình bơm tiêu, tác giả Đỗ Minh Thu [22] không tiến hành xác định mực nước sông thiết kế cho trạm bơm tiêu, mà tiến hành xác định cao trình thiết kế đáy cống tháo qua đê hợp lý, làm cơ sở cho việc thiết kế cống tháo,

bể tháo nhằm giảm cột nước địa hình dư thừa mà bơm phải khắc phục trong các lần bơm tiêu

Nhận xét:

Qua các đề xuất và kết quả nghiên cứu trên cho thấy:

- Một số tác giả đã tập trung đề xuất lựa chọn mực nước sông thiết kế là mực nước bình quân vụ tiêu P = 50% hoặc P ≈ 50% do tại vị trí này mực nước sông dao động hài hòa nhất, tạo cho máy bơm làm việc với hiệu suất cao nên hao phí điện năng là nhỏ nhất Tuy nhiên, khi chọn tần suất mực nước sông thiết kế ở mức P = 50% sẽ làm tăng đáng kể chi phí xây dựng công trình tháo, do chiều sâu đặt công trình và kích thước các cấu kiện công trình tăng theo, song sự gia tăng chi phí xây dựng nêu trên chưa được các tác giả xem xét thấu đáo, chưa đánh giá tác động của nó đến tính hiệu quả của các trạm bơm tiêu

- Ngược lại với đề xuất của một số tác giả trước, để giảm điện năng tiêu thụ trong quá trình bơm tiêu, tác giả Đỗ Minh Thu đã chú trọng việc đánh giá sự gia tăng chi phí xây dựng khi hạ thấp cao trình đáy cống tháo để khắc phục cột nước địa hình dư thừa, song tác giả lại bỏ qua việc xem xét sự giảm hiệu suất của bơm khi hạ thấp công trình tháo,

do cột nước thiết kế bơm (hay điểm công tác thiết kế của bơm) tác giả vẫn xác định theo cách thông thường (tương ứng với tần suất mực nước sông 10%) Tức là, khi càng

hạ thấp cao trình đáy cống tháo thì điểm công tác thực tế của bơm càng cách xa điểm công tác thiết kế nên hiệu suất bơm càng thấp Ngoài ra, tác giả đã khống chế khoảng

25

xác định của cao trình đáy cống tháo (Zđcống max ; Zđcống min) một cách khiên cưỡng theo kinh nghiệm, nên nhiều giá trị cao trình đáy cống chưa được xem xét, hay nói cách khác là khoảng xác định của các cao trình đáy cống tháo mà tác giả xem xét chưa mang tính bao quát

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu về quản lý vận hành hệ thống tiêu Bắc Nam

Hà

Trải qua một quá trình khai thác lâu dài, mặc dù trong những năm gần đây hệ thống BNH đã được quan tâm nâng cấp, tu sửa nhưng việc tiêu úng cho hệ thống vẫn luôn là một trong những vấn đề căng thẳng, úng lụt vẫn xảy ra thường xuyên làm ảnh hưởng lớn đến đời sống và sản xuất của nhân dân trong vùng Để giải quyết tồn tại trên của hệ thống, đã có nhiều đề tài tập trung nghiên cứu, đề xuất giải pháp giải quyết vấn đề tiêu úng cho hệ thống:

* Nhóm tác giả Trịnh Quang Hòa, Dương Văn Tiển và nnk [2] đã xây dựng được một

hệ điều hành quản lý hệ thống 6 trạm bơm điện lớn Hà Nam - Nam Định thực hiện các chức năng:

- Quản trị toàn bộ những dữ liệu về khí tượng, thủy văn trên khu vực, các số liệu địa hình, các con sông trong sơ đồ tính toán, cùng địa hình các khu ngập; các thông số cùng khả năng tháo nước của các cống điều tiết then chốt, các đường đặc tính công tác của trạm bơm đầu mối

- Nhận dạng quy mô lũ trên sông Hồng, nhận dạng cấp mưa nội đồng (to, vừa, nhỏ) trước từng đợt tiêu

- Tính toán đường mặt nước trên các kênh trục tiêu chính của hệ thống

- Đặt mối liên hệ ngược giữa đường mặt nước trên hệ thống với sự hoạt động của các cống điều tiết chính, các trạm bơm đầu mối phục vụ cho việc điều khiển đường mặt nước trong việc tiêu úng

* Nhóm tác giả Phạm Việt Hòa và nnk [1] đã chỉ ra việc ngập úng trên hệ thống BNH

do những nguyên nhân sau: Do địa hình lòng chảo, cao độ mặt đất thấp lại xa công trình đầu mối tiêu; mưa trên khu vực chủ yếu tập trung vào mùa mưa (chiếm 70 – 80% lượng mưa năm); trong vụ tiêu, nước từ thượng nguồn đổ về làm mực nước các sông bao

26

quanh hệ thống dâng cao làm hạn chế đáng kể khả năng tiêu của hệ thống; các công trình trạm bơm, cống, kênh xây dựng từ những năm 70 của thế kỷ 20 đã cũ kỹ, hiệu suất thấp, chỉ tiêu thiết kế lạc hậu không thể đảm bảo nhu cầu tiêu đặt ra; một số trạm bơm phải ngừng hoạt động khi mực nước ngoài sông đạt mức báo động 3; nhu cầu tiêu trong những năm gần đây tăng mạnh trong điều kiện công nghiệp hóa và đô thị hóa trên hệ thống… Từ thực trạng hệ thống, các tác giả đã đề xuất hướng quy hoạch tiêu cho hệ thống BNH theo hướng:

- Sửa chữa, nâng cấp 5 trạm bơm lớn, các công trình thủy công trên hệ thống và các trạm bơm nội đồng;

- Xây dựng mới một số trạm bơm tiêu trên hệ thống để đáp ứng nhu cầu tiêu đặt ra;

- Nạo vét, nâng cấp các tuyến kênh tiêu và công trình trên kênh trên hệ thống;

- Rà soát, thống nhất cao độ, hiện đại hóa hệ thống báo mực nước, lượng mưa tại các điểm trong hệ thống;

- Sửa đổi, bổ sung hoàn chỉnh quy trình vận hành hệ thống

Các nội dung quy hoạch trên đã được phê duyệt tại quyết định số 1296/QĐ-BNN-TCTL ngày 15 tháng 6 năm 2011 của Bộ trưởng Bộ Nông nghiệp & PTNT về việc phê duyệt quy hoạch thủy lợi hệ thống Bắc Nam Hà

* Tác giả Nguyễn Thanh Hương [23] Để hỗ trợ cho công tác quản lý vận hành hệ thống tiêu BNH, tác giả đã nghiên cứu đề xuất:

- Chia hệ thống Bắc Nam Hà thành 64 ô tiêu cơ bản và tiến hành xây dựng quan hệ giữa diện tích khu tiêu tương ứng với các mức cao độ (F ~ Z) trong từng ô và khu tiêu làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình tiêu úng;

- Xây dựng mô hình tiêu úng nội đồng, mô tả diễn biến mực nước trong từng ô tiêu, từng đoạn sông, kênh tiêu dưới tác động của mưa và hoạt động của các trạm bơm, các cống điều tiết then chốt;

- Đối với các trận mưa lớn (P ≤ 10%) nên điều hành hệ thống theo từng khu vực độc lập; đối với những trận mưa lớn cục bộ hoặc mưa vừa trên toàn lưu vực ( P > 20%) một số trạm bơm có thể hoạt động liên hoàn để hỗ trợ cho nhau; nếu mưa to chỉ xảy ra

27

ở phía nam của hệ thống thì các trạm bơm ở phía bắc (Như Trác, Hữu Bị…) không thể

hỗ trợ được cho các trạm bơm phía nam (Vính Trị, Cốc Thành, Cổ Đam)

* Nghiên cứu của tác giả Nguyễn thị Việt Hồng [24] về hệ thống Bắc Nam Hà đã chỉ

ra các nguyên nhân cơ bản ảnh hưởng đến khả năng tiêu nước của hệ thống; xác định nhu cầu tiêu và đề xuất phân vùng tiêu hợp lý cho hệ thống; đề xuất giải pháp cải tạo, nâng cấp lưu vực tiêu Vĩnh Trị thuộc hệ thống BNH

* Về vận hành hệ thống: Trước năm 2016 hệ thống Bắc Nam Hà được vận hành trên cơ

sở quyết định số 63/2001/QĐ-BNN ngày 5/6/2001 của Bộ trưởng Bôn Nông nghiệp & PTNT Để nâng cao hiệu quả khai thác hệ thống cho phù hợp với điều kiện tình hình thực tế, năm 2016 Bộ Nông nghiệp & PTNT đã ban hành quy trình vận hành hệ thống công trình thủy lợi Bắc Nam Hà tại quyết định số 5470/QĐ-BNN-TCTL ngày 28/12/2016 Theo đó, khi lượng mưa tương đương lượng mưa thiết kế, mực nước lũ ngoài sông dưới báo động 3 hệ thống phải đảm bảo tiêu cho 85.326ha, các trạm bơm vận hành toàn bộ số máy; khi lượng mưa tương đương lượng mưa thiết kế, mực nước lũ ngoài sông đạt mức báo động 3 hệ thống phải đảm bảo tiêu cho 23.000ha, các trạm bơm Như Trác, Hữu Bị ngừng hoạt động; khi lượng mưa lớn hơn lượng mưa thiết kế, mực nước lũ ngoài sông trên mức báo động 3 hệ thống phải đảm bảo tiêu cho 18.700ha, các trạm bơm Như Trác, Hữu Bị, Cốc Thành ngừng bơm, tất cả các trạm bơm khác trên hệ thống vận hành toàn bộ số máy hiện có

Nhận xét:

Các nghiên cứu trên hệ thống chủ yếu xoay quanh các giải pháp vận hành hệ thống; chưa có các giải pháp tiết kiệm điện năng trong quá trình bơm tiêu; chưa đề cập đến sự ảnh hưởng của BĐKH, NBD và tác động của nó đến hệ thống tiêu Bắc Nam Hà và đề xuất giải pháp ứng phó

1.5 Kết luận chương

1) Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước đã cho thấy sự tác động mạnh mẽ, rõ rệt của BĐKH, NBD đến các hệ thống tiêu nước Sự tác động của BĐKH, NBD đã làm tăng đáng kể cả về lượng nước tiêu và thời gian tiêu, càng về sau thì mức độ gia tăng càng cao