Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) nằm ở phía bắc Việt Nam và là đồng bằng lớn thứ hai của cả nước với diện tích tự nhiên khoảng 1,50 triệu ha (chiếm khoảng 4,5 % của cả nước), trong đó đất nông nghiệp khoảng 0,86 triệu ha (chiếm 9,2 % của cả nước), được coi là cái nôi của nền nông nghiệp lúa nước Việt Nam, sản xuất nông nghiệp của vùng đến nay vẫn đóng một vai trò kinh tế, xã hội quan trọng

Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) nằm ở phía bắc Việt Nam và là đồng bằng lớn thứ hai của cả nước với diện tích tự nhiên khoảng 1,50 triệu ha (chiếm khoảng 4,5 % của cả nước), trong đó đất nông nghiệp khoảng 0,86 triệu ha (chiếm 9,2 % của cả nước), được coi là cái nôi của nền nông nghiệp lúa nước Việt Nam, sản xuất nông nghiệp của vùng đến nay vẫn đóng một vai trò kinh tế, xã hội quan trọng. Với cơ cấu cây trồng chủ yếu là lúa xuân - lúa mùa - cây trồng cạn vụ đông, việc cung cấp đủ nước cho sản xuất lúa là hết sức cần thiết. Tuy nhiên, việc cung cấp nước này gặp không ít khó khăn, nhất là trong giai đoạn tưới ải cho vụ xuân khi nhu cầu nước lớn nhưng nguồn nước lại khan hiếm. Đây cũng chính là một trong những vấn đề được quan tâm trong những năm gần đây.

Dựa trên một số thông tin thu thập được, bài viết này giới thiệu một số kết quả phân tích liên quan tới tình hình khan hiếm nước tại ĐBSH trong giai đoạn đổ ải trong những năm gần đây. Thứ nhất là những phân tích về diễn biến mực nước sông Hồng và những nguyên nhân gây thiếu nước dựa trên những số liệu lưu trữ về mực nước sông tại đồng bằng và lượng nước đến từ thượng lưu. Thứ hai, cơ chế hoạt động của một số hệ thống thuỷ nông trong vùng sẽ được khái quát hoá nhằm hiểu rõ ảnh hưởng của hiện tượng thiếu nước tới hoạt động của chúng. Việc khái quát hoá này được tiến hành dựa trên các thông tin từ các hệ thống Liễn Sơn, Núi Cốc - Thác Huống và Phù Sa - Đồng Mô đại diện cho các hệ thống thượng lưu đồng bằng; Bắc Đuống, Nam Thanh đại diện cho các hệ thống nằm ở trung tâm đồng bằng; hệ thống Bắc Thái Bình đại diện cho các hệ thống ven biển. Cuối cùng là những ước tính về khả năng cung cấp nước của hệ thống thuỷ nông ứng với từng mức độ khan hiếm nước khác nhau nhằm đánh giá sơ bộ những giải pháp khắc phục tình trạng thiếu nước. Việc đánh giá được tiến hành dựa trên kết quả mô phỏng hoạt động của hệ thống thuỷ nông Nam Thanh trong giai đoạn đổ ải bằng mô hình FLUVIA, một trong những mô hình số thông dụng cho phép diễn toán mực nước trong hệ thống kênh hở.

Diễn biến mực nước sông Hồng

ĐBSH được hình thành và bồi đắp bởi hai hệ thống sông chính là sông Hồng và sông Thái Bình được nối với nhau bởi các sông Cà Lồ ở thượng lưu, sông Đuống ở trung lưu và sông Luộc ở hạ lưu. Ngoài ra, trong đồng bằng còn có một số sông nhánh khác như các sông Đáy, sông Kinh Thầy, sông Ninh Cơ, sông Đào, sông Hoá, sông Gâm, sông Trà Lý v.v. tạo thành một mạng lưới sông dày đặc.

Ngoài việc chịu ảnh hưởng của chế độ thủy triều với biên độ mực nước ngày ở cửa sông lên tới 4 m khi triều cường, chế độ dòng chảy trong năm của mạng lưới sông trong đồng bằng còn phụ thuộc vào chế độ mưa ở thượng nguồn và được chia thành 2 mùa là mùa kiệt và mùa lũ. Mùa kiệt kéo dài từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau với tổng lượng nước thấp, chiếm 20 đến 30 % lượng nước cả năm và mực nước trên các triền sông thấp. Tại trạm thuỷ văn Hà Nội từ 1960 đến 2006, mực nước trung bình trong 6 tháng mùa kiệt chỉ ở mức 3,50 m trong khi trong 6 tháng mùa lũ là 6,50 m.

Trong giai đoạn đổ ải tập trung từ 21/01 - 10/02, giai đoạn có nhu cầu tưới lớn nhất trong năm, mực nước tại vị trí này dao động từ 2,07 đến 3,50 m và trung bình chỉ đạt 2,98 m, thấp hơn 0,52 m so với trung bình mùa kiệt. Cũng trong giai đoạn này, mực nước có xu hướng ngày càng trở nên thấp hơn. Mức độ hạ thấp dần mực nước là khoảng 0,07 m trong quãng thời gian 10 năm, các năm 1963, 2000, 2002, 2005 và 2006 là 5 năm có mực nước thấp nhất kể từ năm 1960 đến nay. Mực nước của các năm này lần lượt là 2,29; 2,53; 2,65; 2,39 và 2,07 m.

Việc mực nước ngày càng trở nên thấp như nói trên hoàn toàn phù hợp với nhận định chung là nguồn nước trong mùa cạn của tất cả các sông ngày càng trở nên cạn kiệt do thảm phủ thực vật ở thượng lưu ngày càng suy giảm. Tuy nhiên, việc khan hiếm nước nghiêm trọng 4 trong 6 năm gần đây nhất kể từ năm 2000 là rất khó có thể lý giải về mặt thống kê.

Khi xét những năm điển hình là các năm có mực nước thấp như 1963, 2004, 2005 và 2006, ta có thể đưa ra một số nhận xét trái ngược nhau như sau.

- Năm 2004 là năm có lượng nước đến rất thấp, đứng thứ hai sau năm 1979 nhưng mực nước sông không quá thấp, đạt 2,71 m và thấp hơn 0,27 m so với 2,98 m của trung bình nhiều năm. Điều đó cho thấy việc điều tiết hồ có thể giúp nâng cao mực nước sông, đáp ứng nhu cầu tưới ải của đồng bằng.

- Việc mực nước hạ lưu và lưu lượng nước đến thượng lưu trong năm 1963 đều thấp là hợp lý vì đây là thời điểm chưa có hồ điều tiết. Ngược lại, năm 2005 là năm đã có hồ nhưng hiện tượng thiếu nước tại thượng và hạ lưu xảy ra gần như tương tự như năm 1963. Nói cách khác, vai trò điều tiết của các hồ trong năm 2005 này chưa được thể hiện rõ.

- Năm 2006 là năm thể hiện những nét đặc trưng đáng lưu ý. Trong khi lượng nước đến không phải là quá thấp, đạt 973 m³/s và chỉ thấp hơn mức trung bình nhiều năm (1116 m³/s) 43 m³/s, mực nước sông lại ở mức thấp nhất trong tất cả các năm theo dõi. Nhận xét này đồng nghĩa với việc cho rằng các hồ mặc dù có nguồn nước không phải quá hạn hẹp nhưng đã không xả đủ nước xuống hạ lưu gây tình trạng khan hiếm nước ở đồng bằng.

- Đối với các năm 2000 và 2002, hiện tượng như năm 2006 thể hiện còn rõ hơn. Trong khi lượng nước đến của hai năm này rất lớn, đứng thứ nhất và thứ tư trong 47 năm theo dõi, mực nước sông Hồng tại Hà Nội thấp thứ tư và thứ năm. 

Những phân tích trên cho thấy mực nước sông Hồng trong trong giai đoạn đổ ải ngày càng thấp và nguyên nhân của nó hoàn toàn không phải chỉ do điều kiện tự nhiên ngày càng khắc nghiệt mà còn do hoạt động của các hồ điều tiết ở thượng lưu. Việc tích nước nhằm phục vụ mục đích sản xuất điện và cung cấp nước tưới cho những tháng tiếp theo của mùa kiệt là hoàn toàn hợp lý nhưng phục vụ tưới đổ ải cho đồng bằng cũng là một nhu cầu cần quan tâm.

Ảnh hưởng của mực nước sông tới hoạt động của các hệ thống thủy nông

Mạng lưới sông của ĐBSH như mô tả ở mục trên cùng hệ thống đê sông, đê biển đã chia đồng bằng thành 30 hệ thống thuỷ lợi độc lập với diện tích từ 5.000 đến 200.000 ha

+ Tại vùng thượng lưu

Những hệ thống thủy nông vùng thượng lưu đồng bằng thường được cấp nước bởi các hồ chứa hoặc các đập dâng. Bằng cách trữ nước của các sông suối nhỏ trong mùa mưa để cung cấp cho hệ thống vào mùa khô hay dâng nước tại các sông suối nhỏ để từ đó cấp nước cho hệ thống, nguyên tắc qui hoạch này cho phép tận dụng tối đa nguồn nước tại chỗ. Tuy nhiên, nguồn nước này thường thiếu vào mùa kiệt nên những hệ thống đó thường được cấp bổ xung bởi các trạm bơm được xây dựng dọc theo các triền sông chính có nguồn nước ổn định hơn. Đó là trạm bơm Phù Sa lấy nước sông Hồng cấp nước cho hệ thống Đồng Mô - Phù Sa, trạm bơm Bạch Hạc và Đại Định lấy nước sông Hồng cấp nước bổ xung cho hệ thống Liễn Sơn... Tầm quan trọng của nguồn nước bổ xung này thể hiện ở chỗ công suất lắp đặt của các trạm bơm nói trên tương đối lớn so với tổng nhu cầu nước của hệ thống. Ví dụ như trạm bơm Phù Sa phụ trách tưới cho 5700 ha, chiếm 36 % tổng diện tích của hệ thống Phù Sa-Đồng Mô, trạm bơm Bạch Hạc và Đại Định phụ trách khoảng 13.000 ha, chiếm khoảng 50 % diện tích hệ thống Liễn Sơn. 

Những mô tả trên cho thấy khả năng phục vụ của các hệ thống trong vùng phụ thuộc không chỉ vào nguồn nước tại chỗ mà còn vào mực nước của các sông chính. Khi mực nước trên sông chính quá thấp, các trạm bơm sẽ không hoạt động được hoặc chỉ hoạt động được với công suất thấp và hậu quả là hệ thống không được cung cấp đủ nước đúng như yêu cầu. Ví dụ như trạm bơm Phù Sa thường gặp phải tình trạng không hoạt động được hết công suất trong khi nhu cầu tưới lớn. Vào cuối tháng 1 đầu tháng 2 năm 2006, năm hạn hán xảy ra nghiêm trọng, mực nước sông Hồng tại đây chỉ ở mức 3,70 m. Kết quả là trạm chỉ hoạt động được 2 trong tổng số 4 máy trong khi nhu cầu đổ ải lớn.

+ Tại vùng trung lưu

Những hệ thống thuỷ nông tại vùng trung lưu ĐBSH thường được cung cấp nước từ sông bởi một hay một vài cống lấy nước ven đê. Sau các cống là những mạng lưới kênh chìm bao gồm các kênh trục và các kênh nhánh làm nhiệm vụ cung cấp nước cho các trạm bơm tưới hoặc tưới tiêu kết hợp nằm dọc theo chúng. Những trạm bơm tưới hoặc tưới tiêu kết hợp này sau đó bơm nước từ kênh trục cấp nước lên mạng lưới kênh tưới để từ đó cung cấp nước cho hầu hết diện tích phục vụ của hệ thống. Những diện tích còn lại là những diện tích trũng nhận nước tự chảy từ mạng lưới kênh trục.

Với hình thức cấp nước nói trên, mực nước sông có ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động chung của hệ thống. Khi mực nước sông xuống thấp, các cống lấy nước không thể lấy đủ lưu lượng yêu cầu dẫn đến mực nước trên các kênh trục thấp và cuối cùng là các trạm bơm không hoạt động được hoặc không hết công suất. Một số trạm bơm nhỏ phục vụ diện tích một vài trăm ha như trạm Cống 6+100 tại hệ thống Nam Thanh đã phải hoạt động ngay cả trong thời điểm giá điện cao gấp ba lần giá bình thường nhằm đáp ứng đổ ải kịp thời vụ.

+ Tại vùng hạ lưu

 Cũng như các hệ thống tại trung tâm đồng bằng, đầu mối cấp nước của các hệ thống vùng ven biển là các cống lấy nước dưới đê và sau đó nước được dẫn bởi các kênh trục và các kênh nhánh vào nội đồng tạo nguồn cho các trạm bơm tưới hoặc tưới tự chảy cho các vùng thấp.

Cũng như các hệ thống thuỷ nông ở trung tâm đồng bằng, khả năng cung cấp nước của các hệ thống vùng này phụ thuộc nhiều vào mức nước sông. Khi mực nước sông thấp, các trạm bơm chỉ hoạt động tương đối bình thường trong giai đoạn triều cường, khoảng 6 đến 7 ngày trong một chu kỳ thuỷ triều. Ví dụ như tại trạm bơm Cầu Lê thuộc hệ thống thuỷ nông Bắc Thái Bình vào năm 2006. Trong giai đổ ải tập trung từ 21/01 đến 10/02, trạm thường chỉ hoạt động được 2 trên số 3 máy trong một số giờ nhất định của một số ngày nhất định nào đó khi mực nước cho phép. Ngoài ra, các hệ thống vùng này còn chịu ảnh hưởng của quá trình sâm nhập mặn sâu khi lưu lượng, mực nước sông Hồng và sông Thái Bình thấp. Ví dụ như năm 2006 tại hệ thống thuỷ nông Bắc Thái Bình, nơi có nhiều cống lấy nước nằm gần biển. Vào thời điểm đó, mặn đã lấn sâu 29 km trên sông Hoá và 24 km trên sông Trà Lý làm cho việc cung cấp nước của các cống ở hạ lưu bị gián đoạn.

Sự thay đổi mực nước trên hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình có ảnh hưởng đến tất cả các hệ thống thủy nông từ thượng lưu đến hạ lưu của đồng bằng sông Hồng. Những ảnh hưởng đó thể hiện ở chỗ khi mực nước hay lưu lượng thấp, (1) các trạm bơm không thể hoạt động được hoặc hoạt động không hết công suất dẫn đến không cấp đủ lưu lượng yêu cầu, (2) các trạm bơm phải tăng số giờ bơm và hoạt động cả trong những giờ cao điểm dẫn đến làm tăng chi phí điện năng phục vụ cho tưới, (3) mặn xâm nhập vào sâu nội địa làm cho việc cấp nước cho các vùng ven biển bị gián đoạn.

Đánh giá nhu cầu cải thiện hệ thống

Như trên đã phân tích, hoạt động của các hệ thống thủy nông vùng ĐBSH phụ thuộc vào mực nước sông trong khi mực nước sông trong các năm gần đây ngày càng trở nên thấp. Để hiểu rõ hơn tình trạng này, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu sâu tại một hệ thống thuỷ nông nhằm trả lời hai câu hỏi:

01- Với từng mực nước thấp khác nhau và mực nước thấp như hiện tại, hệ thống hoạt động được với công suất bao nhiêu? Việc trả lời câu hỏi này giúp thấy rõ mức độ nghiêm trọng của tình hình khan hiếm nước và mức độ cần cải tạo hệ thống.

02- Mực nước cần cao hơn mực nước hiện tại bao nhiêu thì hệ thống mới có thể hoạt động được bình thường? Nói cách khác, cần điều tiết để mực nước trên sông cao thêm bao nhiêu hay cần nạo vét kênh trục bao nhiêu để hệ thống hoạt động được bình thường?

Việc trả lời hai câu hỏi trên được tiến hành thông qua xác định khả năng cung cấp nước của hệ thống trong những điều kiện mực nước sông khác bằng phương pháp mô hình hoá sử dụng mô hình thủy lực mô phỏng dòng chảy ổn định không đều trong mạng lưới kênh hở. Chúng tôi đã lựa chọn hệ thống thủy nông Nam Thanh, một trong những hệ thống nhỏ thuộc vùng trung tâm ĐBSH làm điểm nghiên cứu thử nghiệm. Khu vực này được cấp nước bởi cống Ngô Đồng nằm trên sông Thái Bình tưới cho khoảng 7.800 ha đất canh tác thuộc huyện Nam Sách, tỉnh Hải Dương. Sau cống Ngô Đồng, hệ thống có trục kênh chính dài 15 km cấp nước cho 11 trạm bơm lớn với công suất trên 2.000 m³/h nhiều trạm bơm nhỏ khác.

Mô hình xác định khả năng cung cấp nước của hệ thống trong những điều kiện mực nước sông khác nhau có thể được mô tả tóm tắt như dưới đây.

- Thông số mô tả hệ thống: những thông số về mặt cắt hệ thống kênh mương và các cống điều tiết là những số liệu thực đo.

- Các nút mà hệ thống cấp nước: các trạm bơm trong hệ thống được nhóm thành 8 nhóm tạo thành 8 nút nằm dọc hệ thống với diện tích phụ trách S_i là tổng diện tích phụ trách của các trạm  thuộc nhóm.

- Điều kiện biên thượng lưu: điều kiện biên thượng lưu là các mức mực nước khác nhau trên sông Thái Bình vào mùa kiệt như 0,4; 0,6; ....; 1,0 m.   

- Điều kiện biên hạ lưu: với giả thiết cho rằng các trạm bơm hoạt động với cùng hệ số tưới q, điều kiện biên hạ lưu được lấy là lưu lượng bơm của các trạm bơm của từng nút trong hệ thống được tính theo công thức Qi=q*Si. Giả thiết này chỉ ứng với một trường hợp đặc biệt, ít xảy ra trên thực tế khi mà các trạm thường hoạt động với hệ số tưới khác nhau. Tuy nhiên, nó cho phép ta có khái niệm tổng quát về tổng công suất hoạt động của các trạm bơm trong điều kiện đặc biệt này.

*Kết quả của mô hình:

Mực nước sông vừa là điều kiện biên thượng lưu vừa là giá trị cần dò tìm. Với mỗi điều kiện biên hạ lưu q nhất định, ta cần tìm mực nước thượng lưu sao cho vừa đủ cao để tất cả các trạm bơm đều có thể hoạt động được. Khi mực nước sông nhỏ hơn giá trị này, mực nước trong kênh trục cấp nước sẽ thấp và một hoặc một số trạm bơm cuối kênh sẽ không hoạt động được. Ngược lại, khi mực nước sông lớn hơn giá trị này, mực nước trên kênh trục sẽ cao và các trạm bơm sẽ có thể hoạt động được với công suất lớn hơn hay khả năng cấp nước của hệ thống thực ra lớn hơn giá trị q giả định ban đầu. Với phương pháp tính này, khả năng cung cấp nước của hệ thống Nam Thanh ứng với từng mức mực nước khác nhau của sông được ước tính và được giới thiệu trong hình 4.

Theo kết quả ước tính này, các trạm bơm chỉ hoạt động được với công suất tương đương với hệ số tưới q=0,41 l/s/ha khi mực nước sông chỉ đạt 0,46 m như mực nước sông Thái Bình trong giai đoạn đổ ải tích cực từ 21/01 đến 08/02 năm 2006. Với hệ số tưới trên, các trạm bơm cần khoảng thời gian 55 ngày để có thể cấp đủ 200 mm nước cho tưới ải. Tuy đây là khoảng thời gian không quá dài so với lịch đổ ải chung của địa phương, nhưng các trạm bơm đã phải hoạt động liên tục với lưu lượng không thay đổi nhằm tận dụng triệt để nguồn nước.

Kết quả cũng cho thấy mực nước sông Thái Bình tại cống Ngô Đồng phải đạt 0,81 m, cao hơn 0,81-0,46=0,35 m so với thực tế năm 2006 thì các trạm bơm mới có thể hoạt động được với hệ số tưới 1,20 l/s/ha. Nói cách khác, cần nạo vét thêm 0,35 m, tức khoảng 52000 m³ cho 15 km kênh trục cấp nước và cải tạo các công trình đi kèm cho phù hợp để các trạm bơm có thể hoạt động với hệ số tưới trên ngay cả khi mực nước sông thấp 0,46 m như hiện tại.

Như vậy, khả năng cung cấp nước của hệ thống thuỷ nông Nam Thanh, một trong những hệ thống tại trung tâm ĐBSH, giảm mạnh khi mực nước sông hạ thấp như hiện nay, gây khó khăn cho hoạt động của các trạm bơm. Biện pháp mang tính cục bộ là nạo vét kênh mương kết hợp với cải tạo hệ thống cống, trạm bơm... có thể coi là biện pháp giúp khắc phục khó khăn này một cách triệt để. Tuy nhiên, nó đòi hỏi khối lượng công việc tương đối lớn khi xét đến tất cả các hệ thống trong toàn vùng.

Kết luận

ĐBSH là nơi có hệ thống thủy lợi được đầu tư nhiều và có nguồn nước trên các sông dồi dào. Theo ước tính, ĐBSH nhận được khoảng 8,6 triệu m³/km²/năm trong khi các đồng bằng khác chỉ nhận được khoảng 2 đến 3 triệu m³/km²/năm (Cuddihy et al., 1996). Tuy nhiên, hoạt động của các hệ thống thuỷ nông tại đây rất mẫn cảm với mực nước sông. Khi mực nước sông tức mực nước tại đầu mối của các hệ thống hạ thấp, khả năng cung cấp nước của hệ thống giảm mạnh gây khó khăn cho việc lấy nước qua cống và hoạt động của các trạm bơm. Trong khi mực nước sông vào giai đoạn đổ ải, giai đoạn tưới căng thẳng nhất, trong những năm gần đây liên tục ở mức thấp. Để giải quyết những tồn tại này cần có những giải pháp sau:

01 - Giải pháp phi công trình: như điều chỉnh cơ cấu cây trồng, kéo dài thời gian đổ ải, tổ chức tưới luân phiên hợp lý, sử dụng tưới tiết kiệm nước...

02 - Biện pháp công trình: cải thiện chế độ dòng chảy sông thông qua điều tiết lượng nước xả của các hồ ở thượng lưu. Nâng cao khả năng cung cấp nước của các hệ thống thông bằng cách nạo vét và cải tạo. Tuy nhiên, việc lựa chọn một trong hai giải pháp nói trên hay lựa chọn giải pháp trung gian cần được tiến hành thông qua những nghiên cứu chi tiết đề cập đến nhu cầu tích nước phục vụ mục đích sử dụng đa mục tiêu nguồn nước và cấp nước trong những tháng mùa kiệt tiếp theo cũng như chi phí cho cải tạo hệ thống.

Nguồn: Đặc san KHCN Thủy lợi