Nghiên cứu thiết kế dạng cống phù hợp mục tiêu bảo tồn đa dạng sinh học tại Vườn Quốc gia Phú Quốc

ThS. DOÃN TRỌNG NÔI Ban Quản lý các dự án Đại học Quốc gia TS. DOÃN THỊ NỘI Trường Đại học Giao thông Vận tải

TÓM TẮT: Các công trình thoát nước cản trở sự di chuyển của các loài thủy sinh, đặc biệt là cá, dẫn đến số lượng các loài bị giảm đi đáng kể. Hiện nay, trên thế giới khi xây dựng công trình đã đưa yêu cầu về thiết kế sinh học vào các quy định đối với các khu bảo tồn. Vườn Quốc gia Phú Quốc (VQG) có nhiều sông suối, nơi đây tồn tại loài cá trình suối quý hiếm đang có nguy cơ bị giảm số lượng do ảnh hưởng của việc xây dựng công trình thoát nước và một số hoạt động xây dựng khác. Bài báo dựa trên số liệu nghiên cứu trong dự án cải tạo VQG Phú Quốc, sử dụng phần mềm HY-8 với mô-đun AOP tính thử nghiệm và đề xuất dạng cống cho phép cá đi qua. Kết quả cho thấy, loại cống hộp, đáy làm việc như điều kiện tự nhiên và giải pháp hố trú ngụ cho cá ở phía hạ lưu giúp cho việc giải quyết bài toán thoát lũ và bảo tồn đa dạng sinh học hiệu quả hơn.

TỪ KHÓA: Vườn Quốc gia Phú Quốc, đa dạng sinh học, AOP, cống.

Abstract: Drainage works to prevent the movement towards aquatic species leaing to reduced numbers and species. To protect enviroment in conservation areas, biological design is required for drainage works. In Vietnam, road culverts that are not designed for fish passage have not been properly assessed. The design of culverts is not yet important to the conservation of speciess and biodiversity in national parks and protected areas. In Phu Quoc National Park, there are many drainage works and rare species of fish that are in danger of being reduced due to the impact on the drainage works. Based on research data onto the Phu Quoc National Park project, using HY8 software to test and propose sewer types that allow fish passage. It was concluded that the box culvert which has bottom as natural conditions and resting areas in tail culverts is suitable passage.

Keywords: Phu Quoc National Park, biodiversity, AOP, culvets.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Đảo Phú Quốc có hệ thống kênh suối phong phú, nơi chứa nhiều nước ngọt và các loài tôm cá nước ngọt có giá trị cao, đặc biệt là cá chình (cá trê Phú Quốc) có giá trị dinh dưỡng và kinh tế rất cao có đặc tính di cư đặc biệt do đẻ từ biển và di cư ngược vào sông suối trong đất liền [4]. Hiện nay, loài cá này bị đánh bắt và khai thác triệt để cũng như môi trường sống của chúng bị thay đổi nặng nề do hoạt động kinh tế của con người.

Các đặc tính sinh học được nghiên cứu bởi Ng, Dang & Nguyen, 2011 [4] cho thấy, cá trê Phú Quốc giống với các loài C. nieuhofii, C. pseudonieuhofii và C. nigricans, nhưng có thể phân biệt với các loài kể trên về các chỉ tiêu hình thái ở đặc điểm các vây lưng, vây đuôi và vây hậu môn không dính liền nhau, thân dài hình ống; cá có cơ quan hô hấp phụ là cơ quan hoa khế nên có thể sống trong môi trường thiếu oxy. Đây là loài cá tinh khôn hung dữ và có sức sống mạnh mẽ.. 

Những thiết kế cống cho đến nay vẫn theo nguyên lý Bernoulli nhằm đảo bảo khả năng thoát nước qua đường. Nhưng hiện nay, ngoài vấn đề thoát nước cần xét thêm mục tiêu bảo tồn sinh thái, đó là đảm bảo điều kiện cho các loài thủy sinh (cá) đi qua đặc biệt trong điều kiện bất lợi như lũ, kiệt.

Những yếu tố cản trở các loài thủy sinh bao gồm: Việc chia cắt địa hình; tạo chênh cao tại cửa ra lớn (cá không nhảy được, không di cư ngược); chiều sâu trong cống hoặc bể nghỉ ngơi không đảm bảo (cá nhẩy lên, cần có bể nhảy...); tốc độ dòng chảy trong cống quá lớn; mức độ nhiễu động của dòng chảy lớn; chiều dài cống dài quá hoặc ngắn quá, dẫn đến trong cống quá tối cũng ảnh hưởng đến sự di chuyển của cá; loại cống, hình dạng và vật liệu ảnh hưởng đến sự di chuyển của các loài thủy sinh; điều kiện cống; hướng cống; nền (cống có đáy); sự ổn định của cống; sự bồi lắng và xói lở tại cửa ra và cửa vào; sự nhiễu động của dòng chảy quá lớn [5].

Hình 1.1: Những cản trở đối với loài thủy sinh [5]

VQG Phú Quốc được thành lập theo Quyết định 91/2001/QĐ-TTG ngày 8/6/2001 của Thủ tướng Chính phủ [1]. Dự án cải tạo VQG năm 2016 của Công ty IDIC nhằm đảm bảo mục tiêu bảo tồn sinh học và phát triển bền vững ở khu vực này [1]. Trong dự án, có nhiều công trình thoát nước được xây dựng để đảm bảo thoát nước ổn định nền đường [2,3,5], nhưng chúng đã làm thay đổi môi trường sống của các loài thủy sinh đặc biệt là các loài cá [6]. Mặc dù là dự án cải tạo VQG nhằm bảo tồn đa dạng sinh học nhưng dự án chưa xét tới khía cạnh tác động của công trình thoát nước đến đa dạng loài ở đây. Những thiết kế cống truyền thống (xét theo nguyên lý Bernoulli, không xét đến sự di chuyển của các loài thủy sinh) mới chỉ đáp ứng được nhu cầu thoát lũ nhưng chưa xét đến đa dạng sinh học, đặc biệt là sự di chuyển của các loài cá.

Thiết kế cống theo dạng AOP, tức là ngoài tính đến lưu lượng thiết kế Qp còn xét thêm lưu lượng lớn nhất và nhỏ nhất cho phép cá đi qua (QH và QL). Đặc biệt, trong thiết kế còn chú trọng đến độ nhám cống sao cho giống điều kiện tự nhiên như sông suối và có khu trú ngụ ở hạ lưu trong điều kiện bất lợi đối với việc di cư của cá.

Bài báo đi sâu vào phân tích những cản trở của các công trình thoát nước đối với loài cá, những tồn tại trong thiết kế truyền thống và đề xuất giải pháp AOP nhằm phân tích và đánh giá ưu điểm của loại cống này và đề xuất việc ứng dụng thiết kế cống cho phép các loài thủy sinh đi qua (AOP - Aquatic Organism Passage).

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Số liệu đầu vào

* Số liệu địa hình [1]

- Bình đồ khu vực nghiên cứu tỷ lệ 1:500;

- Mặt cắt ngang sông suối khu vực nghiên cứu.

* Số liệu địa chất [1]

- Thành phần hạt ở các hố khoan thuộc khu vực nghiên cứu.

* Số liệu khí tượng thủy văn

- Lượng mưa ngày lớn nhất tại trạm Phú Quốc: Từ năm 1979 đến 2016 do Tổng cục Khí tượng thủy văn, xây dựng đường tần suất lý luận và tính lượng mưa thiết kế;

- Đặc điểm thủy văn sông suối;

- Các đặc trưng hình thái lưu vực: Thảm phủ ở đây là rừng nguyên sinh, mật độ che phủ 60 - 70%. Tiến hành phân chia lưu vực theo phần mềm Arc GIS, tính các đặc trưng lưu vực, tính lưu lượng thiết kế theo phương pháp Cường độ giới hạn.

Hình 2.2: Lưu vực thoát nước qua vị trí nghiên cứu

2.2. Phương pháp nghiên cứu

Ứng dụng phần mềm HY-8, trên cơ sở phân tích của FHWA, Hội Cầu đường Liên bang Hoa Kỳ (FHWA, 2007) để tính toán lựa chọn dạng cống vừa đảm bảo yêu cầu thoát lũ vừa đảm bảo cho sự di chuyển của các loài thủy sinh. Có ba phương pháp thiết kế cống xét đến sự di chuyển của các loài thủy sinh: Phương pháp thủy lực, thiết kế cống không dốc và thiết kế cống theo điều kiện tự nhiên (HEC-26 - hướng dẫn thiết kế thủy lực cống cho phép cá đi qua của FHWA). Bài báo xây dựng hướng tiếp cận theo Hình 2.3.

Hình 2.3: Sơ đồ tiếp cận của nghiên cứu

Hình 2.4: Sơ đồ 13 bước tính theo AOP

HY-8 là chương trình tự động tính toán thủy lực cống được xây dựng bởi Philip L.Thompson với sự tài trợ của FHWA. Lý thuyết của HY-8 dựa theo phương pháp tính thủy lực cống của HEC-14, trong đó mô-đun AOP dựa theo lý thuyết của HEC-26. Nội dung thiết kế gồm 13 bước trong mô-đun AOP: Từ các số liệu địa hình, địa chất, khí tượng thủy văn, tính Qp%; dựa vào đặc tính sinh học của các loài tính lưu lượng cao nhất QH và thấp nhất QL (lưu lượng cao nhất và thấp nhất cho phép cá đi qua); lựa chọn vị trí nghiên cứu và các đặc trưng hình học; kiểm tra cân bằng thủy lực; nếu phương trình cân bằng thỏa mãn, xác định hướng và kích thước kênh; kiểm tra điều kiện ổn định của kênh theo Qp%, QH và độ sâu dòng chảy theo QL; kết quả nếu phù hợp tiến hành thiết kế thủy lực cống. Các bước tính thủy lực được trình bày tóm tắt trong Hình 2.4.

Chọn hai dạng cống thông dụng ở Việt Nam: Cống tròn và cống hộp với các kích thước khác nhau: D = 2000mm, 1800mm, 1650mm; B´D = 2000´2000mm, B´D = 1800´1800mm, B´D = 1500´1500mm với hai phương án tính toán thủy lực theo điều kiện thông thường và cho phép cá đi qua (Cống AOP).

3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Kết quả nghiên cứu gồm hai vấn đề chính: Đường mặt nước trong cống và khả năng thoát nước cống (cột nước trước cống) theo 12 phương án. Sau đây là một vài kết quả điển hình:

3.1. Dạng đường mặt nước tương ứng với các phương án lựa chọn

Kết quả ở Hình 3.1: Dòng chảy trong cống AOP là chảy êm (dạng mặt nước là đường b1) còn trong cống thường là chảy xiết (dạng mặt nước là đường b2) vận tốc lớn hơn so với điều kiện cho phép cá đi qua.

Hình 3.1: Hình dạng đường mặt nước trong trường hợp thiết kế AOP và thiết kế thường

3.2. Kết quả tính thủy lực khi xét đến điều kiện cho các loài thủy sinh đi qua

Hình 3.2: So sánh khả năng thoát nước đối với cống tròn và cống hộp trong hai phương án

Bảng 3.1. Bảng so sánh mực nước trước cống với các cấu tạo, đặc tính khác nhau

TT	So sánh cống	Lưu lượng chênh lệch  (%)
1	Tròn thường - Tròn AOP (D=2000)	1.455
2	Tròn AOP - Hộp AOP (D=2000)	1.455
3	Hộp thường -Tròn thường (D=2000)	1.559
4	Tròn AOP - Tròn thường (D=2000)	8.96
5	Tròn AOP - Hộp AOP (D=1800)	2.6
6	Tròn thường - Hộp thường (D=1800)	4.535

Kết quả ở Hình 3.2 và Bảng 3.1 cho thấy: Cột nước trước cống trong điều kiện thiết kế với cống thông thường thấp hơn cột nước trước cống AOP, cho nên nếu lưu lượng thoát lũ tăng hơn cần thiết phải mở rộng khẩu độ mới đủ yêu cầu cho cá đi qua và thoát lũ.

3.3. Hố trú ngụ của cá ở hạ lưu cống

Đặc tính sinh học của cá là sống trong môi trường có điều kiện tối thiểu bao gồm: Có đủ nước để di chuyển, có vận tốc không quá lớn, độ dốc không quá lớn. Trong điều kiện thiếu nước trong mùa kiệt ở các đảo việc di chuyển rất khó khăn. Với những trở ngại do công trình thoát nước gây ra đối với các loài thủy sinh, bài báo kiến nghi xây dựng ở phía hạ lưu cống hệ thống khu trú ngụ (resting area) làm giảm độ dốc, tạo vùng trũng có nước duy trì sự sống trong điều kiện bất lợi khi cá di cư ở phía hạ lưu với chiều dài bể khoảng 60cm dùng để cho cá trú ngụ trong điều kiện bất lợi.

4. KẾT LUẬN

Với kết quả tính thử nghiệm từ 12 phương án cho thấy: Khả năng thoát nước của cống hộp tốt hơn cống tròn cùng kích thước.

Đối với cống hộp thường và cống hộp AOP cùng kích cỡ cho thấy, cống AOP thiết kế với đáy cống làm việc như điều kiện tự nhiên và hệ thống bể chứa trú ngụ ở hạ lưu cống trong điều kiện bất lợi (dòng chảy thấp, vận tốc quá lớn) vẫn đảm bảo đủ điều kiện thoát lũ và cho phép cá đi qua trong khi loại cống thiết kế thông thường không đáp ứng được.

Kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy sự phù hợp loại cống hộp, đáy cống làm việc theo điều kiện tự nhiên, hố trú ngụ ở các tuyến sông suối ở Phú Quốc.

Ngoài ra, chế độ dòng chảy trong cống AOP là chảy êm, tạo điều kiện thuận lợi cho cá di chuyển qua cống hơn là cống thông thường.

Mặc dù có ưu điểm nhưng thiết kế cống có xét đến điều kiện di chuyển của cá cần phải mở rộng cống hơn và xây thêm hố trú ngụ sẽ tốn kém hơn phương pháp truyền thống. Để đảm bảo phát triển bền vững trong xây dựng công trình thoát nước cần có những nghiên cứu toàn diện hơn, góp phần bảo vệ môi trường sinh thái tại các vườn quốc gia trên toàn quốc.

Tài liệu tham khảo

[1]. Công ty IDIC (2016), Bảo tồn và phát triển bền vững Vườn Quốc gia Phú Quốc đến năm 2020.

[2]. Bộ GTVT (2005), 22TCN 272-05-Tiêu chuẩn thiết kế cầu.

[3]. Bộ GTVT (2006), Sổ tay tính toán thủy văn, thủy lực cầu đường.

[4]. Ng, Dang & Nguyen (2011), Nghiên cứu bước đầu về đặc tính sinh học của cá trê Phú Quốc.

[5]. Trần Đình Nghiên (1993), Thiết kế thủy lực cho các công trình giao thông, NXB. GTVT.

[6]. FHWA (2007), Design for fish passage at roadway - stream crossings: Synthesis report, Highway Culverts. Rep.No.FHWA-NHI-01-020, Federal Highway Administration.