Quá trình lắp đặt ống lọc tại công trình thử nghiệm ở Lào Cai. Ảnh: NVCC

Đây là một giải pháp mà những người sống ở khu vực miền núi, vùng cao mong chờ từ lâu. Một trong số đó là Tây Bắc - một vùng miền núi với những dãy núi cao phân cắt địa hình và lượng mưa hàng năm chỉ khoảng 1500mm, trong khi đó lượng bốc hơi đã lên đến 800mm nên rất khát nước về mùa khô. Thông thường, ở đây, người ta sử dụng các đập dâng - hình thức đập được đánh giá là phù hợp với địa hình Tây Bắc và được xây dựng trên sông suối để dâng cao mực nước, cung cấp nước cho sản xuất và sinh hoạt. Do đặc điểm riêng có của địa hình Tây Bắc nên số lượng các đập dâng lớn với 20.000 đập dâng trên khắp khu vực. Tuy nhiên, có một thực tế là các đập dâng này hầu hết đều được xây dựng theo kiểu truyền thống nên rất dễ bị hư hại vào mùa mưa khi lũ dâng đột ngột hay bị đất đá sạt lở bồi lấp thượng lưu và cửa lấy nước. Do đó, theo chia sẻ của ông Đinh Văn Sửu, Phó Chi cục trưởng Chi cục thủy lợi tỉnh Lào Cai trên báo chí, hầu hết các công trình đập dâng hiện chỉ đảm bảo được 50 đến 60% năng lực cấp nước so với thiết kế, thậm chí nhiều công trình đã hư hỏng và không còn sử dụng được.

Nhiều giải pháp đã được các nhà nghiên cứu Việt Nam và quốc tế đưa ra để khắc phục tình trạng này của đập dâng nhưng vẫn chưa giải quyết được triệt để vấn đề, ví dụ, phương pháp cải tiến hình thức bố trí cửa lấy nước của đập theo kiểu dọc đỉnh đập tràn chỉ khắc phục được một phần vấn đề bồi lấp trong khi trên thực tế các đơn vị vận hành phải thường xuyên khai thông dòng chảy khỏi đất đá và rác thải. Ngay cả một vài phương pháp khác được áp dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới như hệ thống thu nước ngầm theo kiểu giếng đứng lại chỉ áp dụng được ở những nơi có dòng chảy ổn định và trầm tích là hạt mịn như cát, phù sa nhưng không phù hợp với địa hình vùng cao ở Việt Nam, vốn vật liệu bồi tích là cát, cuội, sỏi…

Những thực tế trên đã đặt ra cho TS. Nguyễn Chí Thanh và nhóm nghiên cứu thuộc Viện Thủy công - Viện Khoa học và Thủy lợi Việt Nam một bài toán: phát triển một phương pháp thu nước mới phù hợp với các vùng miền núi vừa có thể lấy được lượng nước lớn nhưng vẫn vừa bảo đảm được tính bền vững của công trình, không bị bồi lấp và có thể hoạt động lâu dài trong mọi điều kiện mưa lũ.

Những yêu cầu đó đã đưa anh và cộng sự tìm đến phương pháp mới là thu nước ngầm đáy sông kiểu nằm ngang. Điểm quan trọng của phương pháp này là các ống lọc được xếp song song với nhau theo hướng dòng chảy của suối và đặt ngầm dưới đáy. Nước mặt ngấm từ trên xuống sẽ được thu vào ống lọc, sau đó được gom vào ống có đường kính lớn hơn và chảy vào bể thu. Sau đó, nước từ bể thu sẽ được dẫn về kênh sau đập cũ bằng kênh mới hoặc ống dẫn nước. 

Nét hay của hệ thống thu nước mới này là có thể tận dụng được cơ sở hạ tầng cũ khi được bố trí tại thượng lưu của đập cũ. Tuy nhiên người ta chỉ có thể tận dụng được nó khi xác định vị trí để xây dựng hệ thống mới bằng những tính toán hết sức tỉ mỉ. Cụ thể, vị trí đó phải bảo đảm được các yếu tố như cao độ của hệ thống phải đủ chênh cao để bảo đảm lưu lượng nước đến; độ dày của lớp sỏi ở lòng sông phải đủ dày nhưng nằm trong khoảng phù hợp (từ 1,5m - 3m) để bố trí hệ thống thu nước; đồng thời cũng phải thuận tiện cho công tác thi công, quản lý.

Để đảm bảo khả năng thu nước, các thông số về loại ống lọc, kích thước ống lọc, vị trị đặt ống lọc, độ dốc và khoảng cách giữa các ống lọc - một trong những điểm khác biệt của phương pháp này - cũng được nhóm quy định chi tiết, ví dụ độ sâu đặt ống lọc phải giữ ở khoảng cách 0,8m từ tim ống đến bề mặt lớp vật liệu kết cấu lọc và 0,2m từ tim ống đến đáy lớp cát lọc. Không chỉ vậy, dù sử dụng dù loại ống lọc nhựa PVC xé khe hay ống Jonshon, các ống này đều phải đảm bảo đủ dày, cứng, không bị bóp méo khi chôn lấp, đồng thời đường kính không nhỏ hơn 60mm, kích thước khe, lưới của ống lọc nên chọn từ 1mm trở lên, độ dốc ống lọc nên chọn là 1,5%; sử dụng ống lọc có độ khe rỗng lớn như ống lọc khung dây thu được lưu lượng nước lớn, tuy nhiên cũng có thể dùng dùng các loại ống lọc có độ lỗ rỗng nhỏ hơn như ống lọc khe, ống lọc lưới trong trường hợp lưu lượng yêu cầu khai thác không lớn. Thêm vào đó, để thu được lưu lượng nước mong muốn, hệ số thấm của môi trường xung quanh ống lọc cũng như thông số cấp phối lọc cũng phải được tính toán chi tiết. 

Những con số cụ thể như vậy đã được nhóm nghiên cứu tìm ra dựa trên cơ sở lý thuyết về vận động nước dưới đất và kết hợp với thực nghiệm mô hình vật lý. “Mấu chốt của nghiên cứu là xác định được các quan hệ giữa lưu lượng thu nước với các thông số của lớp cấp phối lọc, thông số kết cấu ống lọc, độ dốc cũng như khoảng cách giữa các ống lọc để đem lại hiệu quả cao nhất cả về mặt kỹ thuật và kinh tế”, TS. Nguyễn Chí Thanh cho biết.

Nhờ tính toán được các thông số phù hợp, hệ thống thu nước ngầm kiểu ngang giúp lấy được cả dòng chảy mặt và dòng ngầm với lưu lượng lớn, giải quyết được vấn đề bồi lấp cửa lấy nước của các đập dâng. Về mùa khô, khi dòng mặt không đủ đáp ứng nhu cầu thì kết cấu này cũng giúp tận thu nguồn nước ngầm để tăng lưu lượng thu và đáp ứng nhu cầu cấp nước.

Để kiểm tra kết quả trong thực tiễn, nhóm nghiên cứu đã thi công thử nghiệm công trình tại đập dâng An San, huyện Bát Xát, tỉnh Lào Cai - vốn được xây dựng từ năm 2003 và hiện nay nhiều bộ phận đã bị xuống cấp, bồi lấp nghiêm trọng. Nhóm đã thử nghiệm bố trí hệ thống thu nước ngầm kiểu nằm ngang tại vị trí cách thượng lưu đập 300m, cao độ lòng suối cao hơn đáy kênh khoảng 1m và sử dụng hệ thống 10 ống lọc Jonshon dài 20m; khoảng cách giữa 2 ống 1,8m, độ dốc dọc ống 1,5%. Nhóm cũng sử dụng cấp phối lớp lọc là cát sỏi có đường kính hạt d≥1mm, dày 1m.

Kết quả cho thấy, lưu lượng nước đạt yêu cầu trên 75 l/s khi mực nước suối trên 1m so với đáy bể, tương đương với dòng mặt mùa khô, đảm bảo cấp nước đủ tưới cho 50ha lúa của địa phương. Sau 2 năm đi vào hoạt động, công trình được kiểm chứng là vững vàng sau 2 đợt lũ lớn và cung cấp lượng nước ổn định trong mùa khô. Thành quả này khiến các chuyên gia và người dân địa phương đều cảm thấy vui mừng: thi công công trình nhanh gọn, đơn giản, dễ dàng vận hành bảo dưỡng và giúp đem lại những giọt nước ngọt lành quý giá trong những ngày khô hạn.

Đánh giá hiệu quả thực tế từ công trình của mình, nhóm nghiên cứu cho rằng, ngoài việc khắp phục được những nhược điểm của phương pháp cũ thì phương pháp của họ còn có ưu điểm là có thể tận dụng hệ thống kênh dẫn nước của đập cũ, dùng những vật liệu sẵn có tại địa phương và thi công lắp đặt đơn giản, qua đó góp phần giảm giá thành đầu tư từ 15% đến 30%. Mặt khác, do công nghệ không phức tạp nên phương pháp này có thể triển khai rộng rãi trên những địa phương có điều kiện địa chất thủy văn và địa hình tương tự vùng Tây Bắc.

Với những ưu điểm trên, phương pháp thu nước ngầm đáy sông, suối kiểu nằm ngang do nhóm của TS.Nguyễn Chí Thanh thực hiện đã được Cục Sở hữu trí tuệ cấp bằng độc quyền sáng chế số 1-0024035 được công bố vào ngày 25/6/2020.

Mỹ Hạnh 
(Bài viết hợp tác giữa Cục Sở hữu trí tuệ và Báo Khoa học và Phát triển)