Tải bản đầy đủ

Tính toán cân bằng nước cho lưu vực sông cả trong điều kiện biến đổi khí hậu

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC CHO LƯU VỰC SÔNG CẢ
TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC

ĐÀM ĐĂNG NINH

HÀ NỘI, NĂM 2018


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC CHO LƯU VỰC SÔNG CẢ
TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU


CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC
MÃ SỐ: 8440244

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. NGUYỄN KIÊN DŨNG

HÀ NỘI, NĂM 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn chính: PGS.TS. Nguyễn Kiên Dũng

Cán bộ chấm phản biện 1: PGS.TS. Hoàng Minh Tuyển

Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Trương Vân Anh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Ngày 20 tháng 01 năm 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các nội dung, số liệu nêu trong luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày tháng năm 20
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Đàm Đăng Ninh


LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được hoàn thành tại Khoa Khí tượng Thủy văn, Trường Đại
học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội. Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn
thành luận văn, học viên đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều từ thầy cô, đồngnghiệp
và gia đình bạn bè.
Trước hết học viên xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới thầy
hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Kiên Dũng, người thầy đã luôn hướng dẫn và giúp đỡ


học viên trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận vănnày.
Học viên xin gửi lời cám ơn đến các thầy cô trong khoa Khoa Khí tượng
Thủy văn và các đồng nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu các vấn đề Nước đã giúp
đỡ, tạo điều kiện trong quá trình học tập, nghiên cứu. Học viên xin gửi lời cám ơn
đến TS. Trương Vân Anh, Th.SNguyễn Tiến Quang ở bộ môn Khí tượng Thủy
văncùng Th.SNguyễn Đức Rỡi ở Trung tâm Nghiên cứu các vấn đề Nướcđã quan
tâm, chỉ bảo học viên trong suốt quá trình làm luận văn.
Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn do nhiều nguyên nhân
khách quan và chủ quan nên những vấn đề được trình bày trong bài không thể tránh
khỏi những hạn chế và thiếu sót. Vì vậy, rất mong nhận được sự cảm thông và góp
ý của các thầy cô giáo cùng đồng nghiệp để cho luận văn được hoàn thiện tốt hơn.
Xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Đàm Đăng Ninh


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
TÓM TẮT LUẬN VĂN
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết....................................................................................................... 1
2. Mục tiêu .............................................................................................................. 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 2
3.1 Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................ 2
3.2 Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 2
5. Cấu trúc luận văn................................................................................................. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..................................... 3
1.1 Tổng quan nghiên cứu cân bằng nước................................................................ 3
1.1.1 Tổng quan nghiên cứu cân bằng nước trên thế giới ......................................... 3
1.1.2 Tổng quan nghiên cứu cân bằng nước ở Viêt Nam.......................................... 4
1.1.3 Các nghiên cứu cân bằng nước ở lưu vực sông Cả .......................................... 7
1.2 Tổng quan các mô hình tính toán cân bằng nước ............................................... 8
1.2.1 Hệ thống mô hình GIBSI ................................................................................ 8
1.2.2 Chương trình sử dụng nước (Water Utilization Project) .................................. 9
1.2.3 Mô hình BASINS ........................................................................................... 9
1.2.4 Mô hình hệ thống đánh giá và phát triển nguồn nước WEAP ........................ 11
1.2.5 Bộ mô hình MIKE(DHI) .............................................................................. 11
1.3 Tổng quan về điều kiện tự nhiên lưu vực sông Cả............................................ 12
1.3.1 Vị trí địa lý ................................................................................................... 12


1.3.2 Đặc điểm địa hình......................................................................................... 13
1.3.3 Đặc điểm thổ nhưỡng.................................................................................... 14
1.3.4 Thảm phủ thực vật ........................................................................................ 15
1.3.5 Đặc điểm khí tượng thủy văn ........................................................................ 15
1.3.6 Đặc điểm nước dưới đất................................................................................ 23
1.4 Tổng quan về kinh tế - xã hôi lưu vực sông Cả ................................................ 24
1.4.1 Dân cư .......................................................................................................... 24
1.4.2 Tình hình phát triển kinh tế - xã hội .............................................................. 24
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÂN BẰNG NƯỚC HỆ THỐNG VÀ MÔ
HÌNH MIKE BASIN ............................................................................................. 27
2.1 Cơ sở lý thuyết về cân bằng nước hệ thống ...................................................... 27
2.1.1 Cân bằng nước hệ thống ............................................................................... 27
2.1.2 Cơ sở lý thuyết về hệ thống nguồn nước ....................................................... 27
2.1.3 Phương pháp tính cân bằng nước hệ thống.................................................... 28
2.2 Tổng quan về mô hình MIKE BASIN. ............................................................. 34
2.2.1 Giới thiệu chung ........................................................................................... 34
2.2.2 Giới thiệu về MIKE BASIN.......................................................................... 35
2.2.3 Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKEBASIN ................................................... 36
2.2.4 Mô hình thủy văn mưa - dòng chảy MIKE NAM .......................................... 39
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE BASIN ĐỂ TÍNH TOÁN
CÂN BẰNG NƯỚC CHO LƯU VỰC SÔNG CẢ ................................................ 42
3.1 Thiết lập mô hình Mike Basin.......................................................................... 42
3.1.1 Xác định các tiểu lưu vực.............................................................................. 42
3.1.2 Xác định dòng chảy đến lưu vực ................................................................... 45
3.1.3 Nhu cầu sử dụng nước hiện trạng.................................................................. 48
3.2 Tính toán cân bằng nước hiện trạng cho lưu vực sông Cả ................................ 61
3.3 Tính toán cân bằng nước theo kịch bản biến đổi khí hậu .................................. 66
3.3.1 Mô phỏng kịch bản biến đổi khí hậu ............................................................. 66
3.3.2 Nhu cầu nước cho kịch bản biến đổi khí hậu................................................. 68
3.3.3 Lượng nước đến theo kịch bản BĐKH .......................................................... 69


3.3.4 Cân bằng nước theo kịch bản RCP 4.5 .......................................................... 70
3.4 Giải pháp ......................................................................................................... 73
3.4.1 Giải pháp công trình ..................................................................................... 73
3.4.2 Giải pháp phi công trình ............................................................................... 74
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 77


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng1.1 Kết quả thực nghiệm về nhu cầu nước của lúa……………………………7
Bảng1.2 Số giờ nắng năm 2015 tại một số trạm quan trắc………………………..16
Bảng1.3 Độ ẩm trung bình các tháng năm 2015 tại một số trạm………………….17
Bảng1.4 Phân bố diện tích một số nhánh lớn của hệ thống sông Cả……………...21
Bảng1.5 Tình hình dân số lưu vực sông Cả năm 2015……………………………24
Bảng2.1 Các thông số chính của mô hình…………………………………………41
Bảng3.1 Các vùng tính toán cân bằng nước cho lưu vực sông Cả………………...44
Bảng3.2 Bộ thông số mô hình MIKE NAM………………………………………46
Bảng3.3 Đánh giá kết quả hiệu chỉnh và kiểm định………………………………46
Bảng3.4 Kết quả tính toán lưu lượng dòng chảy đến các tiểu vùng năm 2015 bằng
mô hình MIKE NAM………………………………………………………………48
Bảng3.5 Tiêu chuẩn cấp nước cho sinh hoạt……………………………………...49
Bảng3.6 Định mức dùng cho chăn nuôi…………………………………………...50
Bảng3.7 Các hộ, ngành sử dụng nước chính trên lưu vực………………………...51
Bảng3.8 Nhu cầu dùng nước cho sinh hoạt của các tiểu vùng sông Cả…………...52
Bảng3.9 Nhu cầu dùng nước cho công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp của các tiểu
vùng sông Cả……………………………………………………………………….53
Bảng3.10 Hệ số cây trồng Kc đối với cây lúa……………………………………..55
Bảng3.11 Hệ số cây Kc đối với cây trồng khác…………………………………...55
Bảng3.12 Nhu cầu dùng nước cho tưới cây của các tiểu vùng thuộc lưu vực sông
Cả…………………………………………………………………………………..55
Bảng3.13 Số lượng các loại gia súc, gia cầm của các tiểu vùng thuộc lưu vực sông
Cả…………………………………………………………………………………..56
Bảng3.14 Nhu cầu dùng nước cho chăn nuôi tại các tiểu vùng thuộc lưu vực sông
Cả…………………………………………………………………………………..57
Bảng3.15 Nhu cầu dùng nước cho thủy sản tại các tiểu vùng thuộc lưu vực sông
Cả…………………………………………………………………………………..58


Bảng3.16 Nhu cầu nước cho thương mại, dịch vụ và đô thị trên các tiểu vùng thuộc
sông Cả……………………………………………………………………………..59
Bảng3.17 Nhu cầu nước cho bảo vệ môi trường của các tiểu vùng thuộc lưu vực
sông Cả……………………………………………………………………………..60
Bảng3.18 Tổng hợp nhu cầu nước của lưu vực sông Cả………………………….61
Bảng3.19 Các hồ chứa thiết lập trong mô hình MIKE HYDRO BASIN…………63
Bảng 3.20 Kết quả kiểm nghiệm mô hình MIKE BASIN tại trạm Dừa…………...63
Bảng3.21 Lượng nước thiếu hụt hiện trạng tai các tiểu vùng năm 2015………….64
Bảng3.22Biến đổi của nhiệt độ trung bình năm (oC) so với thời kỳ cơ sở……….66
Bảng3.23Biến đổi lượng mưa vào mùa đông so với thời kỳ cơ sở……………….67
Bảng3.24Biến đổi lượng mưa vào mùa xuân so với thời kỳ cơ sở……………….67
Bảng3.25Biến đổi lượng mưa vào mùa hè so với thời kỳ cơ sở………………….67
Bảng3.26Biến đổi lượng mưa vào mùa thu so với thời kỳ cơ sở…………………68
Bảng3.27 Nhu cầu nước đối với cây trồng trong điều kiện BĐKH……………….68
Bảng3.28 Kết quả tính toán lưu lượng dòng chảy đến các tiểu vùng giai đoạn 20162035 bằng mô hình NAM………………………………………………………….69
Bảng3.29 Lượng nước thiếu hụt theo kịch bản BĐKH tai các tiểu vùng giai đoạn
2016-2035………………………………………………………………………….71


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình1.1 Bản đồ lưu vực sông Cả………………………………………………….12
Hình1.2 Bản đồ thổ nhưỡng của lưu vực sông Cả………………………………...14
Hình1.3 Bản đồ lượng mưa trung bình nhiều năm lưu vực sông Cả……………...18
Hình1.4 Mạng lưới trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Cả.........................19
Hình 1.5 Bản đồ mô đun dòng chảy năm và phân phối dòng chảy trong năm tại một
số trạm trên lưu vực sông Cả………………………………………………………22
Hình1.6 Bản đồ tiềm năng trữ lượng nước dưới đất lưu vực sông Cả…………….23
Hình2.1 Sơ đồ tính của mô hình CROPWAT..........................................................20
Hình 2.2 Sơ đồ phân tích hệ thống............................................................................34
Hình2.3 Sơ đồ tính toán của mô hình MIKE BASIN……………………………..37
Hình2.4 Sơ đồ tính toán của mô hình NAM………………………………………39
Hình2.5 Cấu trúc mô hình MIKE NAM…………………………………………..40
Hình3.1 Sơ đồ phân vùng tính cân bằng nước cho lưu vực sông Cả……………...43
Hình3.2 Đường quá trình lưu lượng ngày thực đo và tính toán tại Trạm Quỳ Châu
giai đoạn 2010-2012………………………………………………………………..47
Hình3.3 Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán tại Trạm Quỳ Châu giai
đoạn 2013-2015…………………………………………………………………….47
Hình3.4 Đường quá trình lưu lượng ngày thực đo và tính toán tại Trạm Hòa Duyệt
giai đoạn 2010-2012………………………………………………………………..47
Hình3.5 Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán tại Trạm Hòa Duyệt giai
đoạn 2013-2015…………………………………………………………………….47
Hình3.6 Đường quá trình lưu lượng ngày thực đo và tính toán tại Trạm Sơn Diệm
giai đoạn 2010-2012………………………………………………………………..47
Hình3.7 Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán tại Trạm Sơn Diệm giai
đoạn 2013-2015…………………………………………………………………….47
Hình3.8 Sơ đồ thiết lập tính toán trong MIKE HYDRO BASIN cho hiện trạng lưu
vực sông Cả………………………………………………………………………...62
Hình 3.9 Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán tại trạm Dừa…………..63


Hình3.10 Lượng nước thiếu hụt năm 2015 theo tháng……………………………65
Hình3.11 Lượng nước thiếu năm 2015 theo các tiểu vùng………………………..65
Hình3.12 Lượng nước thiếu hụt theo tháng giai đoạn 2016-2035………………...72
Hình3.13 Lượng nước thiếu theo các tiểu vùng giai đoạn 2016-2035…………….72


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
MIKE

Bộ mô hình thủy lực và thủy văn lưu vực Viện Thủy lực Đan Mạch

NAM

Mô hình dòng chảy của Đan Mạch (Nedbor-AfstromningsModel)

TANK

Mô hình bể chữa của Nhật Bản

SSARR
GIBSI
WUP
SWAT
IQQM
ISIS

Mô hình hệ thống diễn toán dòng chảy của Mỹ (Streamflow
Synthesis And Reservoir Regulation)
Bộ mô hình tổng hợp của Canada (GestionIntégrée des Bassins
versants à I’aide d’un SystèmeInformatisé)
Chương trình sử dụng nước của Ủy hội sông Mê Kông (Water
Utilization Project)
Mô hình mô phỏng dòng chảy mặt qua độ ẩm đất (Soil and Water
Assessment Tool)
Mô hình mô phỏng nguồn nước lưu vực
Mô hình thủy động lực học (Interactive Spectral Interpretation
System)

BASINS

Mô hình được xây dựng bởi Cơ quan Bảo vệ Môi trường (Hoa Kỳ)

QUAL2E

Mô hình chất lượng nước (Water Quality version 2E)

WEAP
CROPWAT
MIKE
BASIN

Mô hình hệ thống đánh giá và phát triển nguồn nước (Water
Evaluation and Planning System)
Mô hình tính nhu cầu tưới của cây trồng theo chỉ tiêu sinh thái
Mô hình tính cân bằng nước hệ thống cho lưu vực.


1


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội trên các lưu vực sông ngày càng
phát triển đã khiến nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng. Trong khi nguồn tài
nguyên nước nói chung, nước mặt nói riêng ngày càng trở lên khan hiếm do tác
động của biến đổi khí hậu, nước biển dâng và nguy cơ ô nhiễm, suy thoái nguồn
nước. Việc nghiên cứu tính toán cân bằng nước các lưu vực sông và các đơn vị hành
chính theo các kịch bản khác nhau giúp các nhà kỹ thuật, các nhà quản lý nắm được
bức tranh toàn cảnh về tiềm năng, nhu cầu và mức độ đáp ứng tài nguyên nước, từ
đó xây dựng các quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội và quản lý tài nguyên hợp lý
và hiệu quả.
Sông Cả là một trong những lưu vực lớn nhất nước ta, bắt nguồn từ tỉnh
2

Xiêng Khoảng, Lào, có tổng diện tích lưu vực là 27.200 km , trong đó phần thuộc
2

lãnh thổ Việt Nam có diện tích 17.730 km , chiếm 65,2%, phần lớn thuộc 2 tỉnh
Nghệ An và Hà Tĩnh. Sông Cả là một con sông liên quốc gia lớn ở vùng Bắc Trung
Bộ, đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội, quốc phòng – an
ninh của hai tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh.Đây là con sông có lượng dòng chảy khá dồi
dào nhưng phân bố không đều trong năm. Lượng nước tập trung chủ yếu vào mùa
lũ, thời kỳ kiệt nguồn nước khan hiếm, mực nước xuống rất thấp ảnh hưởng lớn đến
các hộ dùng nước trên lưu vực.
Đề tài: “Tính toán cân bằng nước cho lưu vực sông Cả trong điều kiện
biến đổi khí hậu” được thực hiện nhằm giải quyết bài toán cân bằng nước cho lưu
vực sông Cả có ý nghĩa rất lớn trong việc đánh giá hiệu quả phân bổ nguồn nước
trên lưu vực, đảm bảo phát triển kinh tế - xã hội cho các ngành dùng nước, khai thác
hiệu quả tài nguyên nước dưới tác động của biến đổi khí hậu và giúp cho việc quản
lý tài nguyên nước một cách tổng hợp và bền vững.
2. Mục tiêu
Nghiên cứu, ứng dụng được mô hình MIKE BASIN để tính toán cân bằng
nước hệ thống lưu vực sông Cả trong điều kiện biến đổi khí hậu.

2


3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1 Đối tượng nghiên cứu
Tài nguyên nước mặt lưu vực sông Cả.
3.2 Phạm vi nghiên cứu
Lưu vực sông Cả (phần lãnh thổ Việt Nam) nằm trên địa phận các tỉnh Nghệ
An và Hà Tĩnh.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thừa kế: Tiếp thu kế thừa những nghiên cứu có liên quan,
luận văn tham khảo xác định hướng cần nghiên cứu vừa đảm bảo tính mới vừa cập
nhật thông tin, phù hợp với tình hình thực tiễn của vùng nghiên cứu.
- Phương pháp thống kê: Tổng hợp số liệu, tài liệu thu thập được để tính toán
nhu cầu sử dụng nước của lưu vực.
- Phương pháp mô hình toán: Bộ mô hình thủy văn thủy lực MIKE NAM,
CROP WAT, MIKE BASIN tương ứng được dùng để tính toán lượng nước đến,
nhu cầu dùng nước của các ngành và tính cân bằng nước cho lưu vực sông Cả.
- Phương pháp chuyên gia: Trao đổi, học tập, lấy ý kiến từ các chuyên gia về
phương pháp đánh giá, tính toán cân bằng nước lưu vực sông Cả.
5. Cấu trúc luận văn
Ngoàiphần mở đầu và kết luận - kiến nghị, luận văn được trình bày trong 3
chương baogồm:
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Cơ sở lý thuyết về cân bằng nước hệ thống và mô hình MIKE
BASIN
Chương 3: Kết quả ứng dụng mô hình MIKE BASIN để tính cân bằng nước
cho lưu vực sông Cả.


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Tổng quan nghiên cứu cân bằng nước
1.1.1 Tổng quan nghiên cứu cân bằng nước trên thế giới
Theo báo cáo của Ngân hàng thế giới năm 2009 thì tác động của Biến đổi khí
hậu đến sự cân bằng nước chưa được quan tâm đúng mức. Hầu hết các nghiên cứu
về Biến đổi khí hậu tập trung vào các vấn đề về ngập lụt do nước biển dâng mà
chưa xét đến các vấn đề tính toán cân bằng nước. Chính vì vậy, trước tình hình biến
đổi khí hậu đang diễn ra với tốc độ rất nhanh và phức tạp trên thế giới, đã đặt ra bài
toán tính toán cân bằng nước và dự đoán tác động của Biến đổi khí hậu tới sự cân
bằng nước.
Cân bằng nước là cơ sở quản lý và hoạch định chính sách trong một số
vấn đề quan trọng liên quan đến quản lý tài nguyên nước như thiết kế hệ
thống cấp nước, dự báo lũ, cấp nước và sử dụng, quản lý nước mưa và nước
thải ở khu vực đô thị. Trong tất cả các lĩnh vực này, các nhà quản lý lưu vực
và các nhà hoạch định chính sách cần trích xuất thông tin về khối lượng tài
nguyên, nhu cầu và thay đổi lưu trữ trong lưu vực. Biến đổi khí hậu có thể
gây ra những tác động đáng kể đến tài nguyên nước thông qua những thay đổi
trong chu trình thủy văn. Sự thay đổi các thành phần nhiệt độ và lượng mưa
của chu trình có thể có hậu quả trực tiếp về số lượng các thành phần bốc hơi
và thoát hơi. Ở một số quốc gia như Hoa Kỳ, bi ến đổ i kh í hậ u đã được xác
định là chìa khóa quan trọng cho tính bền vững của nước.
Các phương pháp, đề tài, dự án nghiên cứu và tính toán cân bằng nước đã
được nhiều nhà khoa học nghiên cứu ở các nước như: Anh, Mỹ, Hà Lan, Canada,
Đức, Nhật, Ấn Độ, Trung Quốc,…ứng dụng vào thực tế như:
Cân bằng nước dài hạn (1972- 2004) của lưu vực với thảm phủ chủ yếu là
rừng và đồng cỏ vùng cao tại Plynlimon, xứ Wales của Vincent Marc, Mark
Robinson.[23]
Ở Báo cáo Unessco - Paris năm 1974 của A. A. Sokolov và T. G. Chapman
đưa ra các “ Phương pháp tính toán cân bằng nước”.[23]


Boughton, W. và PI Hill, 1997 đã đề xuất Quy trình ước lượng lũ thiết
kế sử dụng tạo dữ liệu và mô hình cân bằng nước hàng ngày. Trung tâm
nghiên cứu hợp tác về thủy văn lưu vực, Úc;Boughton, W., 2004 đã xây dưng
Mô hình cân bằng nước lưu vực tại Úc thời kỳ 1960-2004.[23]
Mingan, S., M. Huang, L. Zhang và Y. Li, 2002 đã mô phỏng cân bằng
nước trên quy mô trường trên Cao nguyên Hoàng Th ổ bằng mô hình
WAVES.[23]
Kendy, E., P. Gerard -Marchant, MT Walter, Y. Zhang, C. Liu và TS
Steenhuis, 2003 đã giới thiệu một phương pháp cân bằng đất-nước để xác
định lượng nước ngầm nạp từ đất canh tác được tưới tiêu ở Đồng bằng Bắc
Trung Quốc.[23]
Hamilton, S., 2004. Dòng ch ảy mùa đông là một nguồn không chắc
chắn trong tính toán cân bằng nước. Bài nghiên cứu cơ bản cân bằng nước
được tiến hành một hội thảo được tổ chức tại Victoria, (WHV`2004), nhà xuất
bản IAHS của Canada.[23]
Anderson, R., J. Hansen, K. Kukuk và B. Powell, 2006 đã phát triển
một công cụ cân bằng nước dựa trên nguồn nước phục vụcho việc đánh giá
các phương án cấp nước.[23]
McCabe, GJ và SL Markstrom, 2007 đã xây dựng một mô hình cân
bằng nước hàng tháng được điều khiển bởi một giao diện đồ họa.[23]
A. Gahandhari và SMR AlaviMoghaddam, 2011 trong cu ốn:” Nguyên
tắc cân bằng nước” đã đánh giá các nghiên cứu về năm lưu vực sông ở
Iran.[23]
1.1.2 Tổng quan nghiên cứu cân bằng nước ở Viêt Nam
Các nghiên cứu về cân bằng nước và phát triển bền vững nguồn nước hệ
thống trong nước thực sự phát triển từ những năm 1950 trở lại đây với việc áp dụng
các thành tựu của khoa học thế giới và nghiên cứu cải tiến phù hợp với điều kiện
Việt Nam. Trong khoảng thời gian ngắn, chúng ta đã có những bước tiến dài trong
nghiên cứu và sử dụng bền vững nguồn nước.


Dựa vào các kết quả nghiên cứu có thể phân quá trình phát triển thành 2 thời
kỳ: (a) thời kỳ nghiên cứu cân bằng nước tự nhiên và (b) cân bằng nước kinh tế.[15]
a. Cân bằng nước tựnhiên
Các nghiên cứu cân bằng nước tự nhiên được tiến hành từ những năm 1950
đến đầu những năm 1975. Trong thời kỳ này, kế thừa các tiến bộ trong nghiên cứu
qui luật khí tượng khí hậu của thế giới và hệ thống thiết bị quan trắc, ở nước ta
mạng lưới quan trắc các đặc trưng khí tượng, thủy văn, hải dương, các hiện tượng
thời tiết nguy hiểm như bão, dông, lũ ống, lũ quét, các hệ thống Cảnh báo được
thành lập nhằm nghiên cứu cân bằng nước với quy mô toàn lãnh thổ, miền, các khu
vực. Chẳng hạn công trình nghiên cứu của GS. Ngô Đình Tuấn về chế độ dòng chảy
của các sông suối Việt Nam. Tác giả đã đưa ra các khái niệm làm cơ sở cho việc lựa
chọn các phương pháp nghiên cứu thích hợp. Sự hình thành dòng chảy trước hết đó
là mối quan hệ giữa mưa và lớp dòng chảy tương ứng tại cửa ra của lưu vực, mối
quanhệgiữakhíhậuvàdòngchảyvới2mùakhíhậutrongnămdẫntớiviệchình thành dòng
chảy. Qua nghiên cứu và tổng kết các tác giả xếp thứ tự các nhân tố như sau: Hồ ao,
đầm lầy, thổ nhưỡng, thảm rừng. Một trong các đóng góp có giá trị là đưa ra chỉ tiêu
phân vùng thủy văn làm cơ sở cho việc xác lập cán cân nước theo vùng, địa phương
và ô thủy văn.[15]
Nghiên cứu căn nguyên quá trình hình thành dòng chảy trên các sông suối
nước ta, PGS Nguyễn Lại đã xuất phát từ các khái niệm về các quá trình thủy văn
chịu sự chi phối của các quá trình synop vĩ mô trên toàn miền Đông Á đồng thời với
sự chi phối của điều kiện mặt đệm với mức độ khác nhau. Trên cơ sở đó xây dựng
lý thuyết về kỳ dòng chảy sông ngòi gió mùa nhiệt đới Việt Nam. Tác giả đã đưa ra
chỉ tiêu phân định kỳ dòng chảy “Đường tần suất dòng chảy của các kỳ kế cận nhau
không được cắt nhau khi vẽ chúng trên cùng hệ tọađộ”.[15]
Hai công trình trên thực sự là các công trình nghiên cứu cơ bản làm cơ sở
cho việc nghiên cứu cân bằng nước ở ViệtNam.
Trong giai đoạn này công cụ chủ yếu nghiên cứu cân bằng nước tự nhiên là
phương pháp tổng hợp địa lý kết hợp với một khối lượng khổng lồ các số liệu quan


trắc về mưa, dòng chảy, bốc hơi. Một loạt các bản đồ hoàn lưu khí quyển, vùng khí
hậu, bản đồ mưa, dòng chảy ra đời là các luận cứ khoa học giúp các nhà hoạch định
chiến lược đưa ra các quyết định chính xác trên phạm vi toàn quốc.
Tuy vậy do việc nghiên cứu còn gắn với địa giới hành chính cũng gây không
ít khó khăn trong việc khai thác và sử dụng tài nguyên nước.
b. Giai đoạn nghiên cứu cân bằng nước có gắn với bài toán kinh tếnước
Khi nền kinh tế xã hội phát triển thì nhu cầu về nước ngày càng nhiều và yêu
cầu chất lượng ngày càng cao. Do vậy việc nghiên cứu nguồn nước được tiến hành
tỉ mỉ hơn. Đó là chương trình nghiên cứu tổng thể về cân bằng nước hệ thống sông
suối Việt Nam như KC12, quy hoạch tổng thể đồng bằng sông Hồng, sông Cửu
Long, Tây Nguyên, Đồng Nai, vùng núi phíaBắc.
Ngoài việc đánh giá tổng lượng, nhiều mô hình toán đã được quan tâm
nghiên cứu, cải tiến và ứng dụng để dự tính sự thay đổi của nguồn nước ngắn hạn
và dài kỳ. Một loạt các vấn đề như thủy văn – thủy lực hệ thống sông Hồng – Thái
Bình, hệ thống sông Mê Kông, quy hoạch thủy lợi, hoàn chỉnh các hệ thống thủy
nông đã được tiếnhành.
Về nghiên cứu sử dụng nguồn nước các hệ thống tưới, từ những năm 1960
đã thành lập một mạng lưới các trạm, trại thí nghiệm ở các tỉnh Hà Nội, Hà Tây,
Hải Hưng, Thanh Hóa, Nghệ An, và sau năm 1975 là các trạm ở miền Trung và
đồng bằng sông Cửu Long nhằm nghiên cứu về nhu cầu nước của cây trồng. Các
nghiên cứu không dừng lại ở cây lúa nước mà còn nghiên cứu với nhiều loại cây
trồng cạn và hoa màu. Các viện nghiên cứu khoa học nông nghiệp, Viện nghiên cứu
khoa học và kinh tế thủy lợi và các trường Đại học Nông nghiệp, Đại học Thủy lợi
là những cơ quan hàng đầu nghiên cứu về lĩnh vực này. Các kết quả nghiên cứu đã
3

3

chỉ ra rằng nước cần cho lúa từ 5500 m /ha đến 6700 m /ha, thay đổi tùy theo địa
phương và theo mùa, trong khi nước cần cho cây trồng cạn phổ biến dưới 4000
3

m /ha/vụ. Khi dịch chuyển mùa vụ với thời gian nhỏ hơn 10 ngày thì yêu cầu dùng
nước của cây trồng cũng thay đổi từ 10 – 25%. Yêu cầu dùng nước của cây trồng có
xu thế tăng lên khi áp dụng những loại cây trồng mới có năng suất cao. Một số kết


quả nghiên cứu nhu cầu nước của cây trồng cạn như sau: Cà chua (250 – 340), bắp
cải (230 - 240), đậu tương (230 – 290), thuốc lá (280 – 300), khoai tây (260 –
270).[15]
Bảng 1.1 Kết quả thực nghiệm về nhu cầu nước của lúa (mm)
Địa điểm

Thời gian

Lúa chiêm

Lúa màu

Đồng bằng sông Hồng

73 - 80

280 - 384

353 – 437

Vĩnh Phúc

59 - 80

304 - 389

494 - 571

Hải Dương

60 - 65

300 - 385

475 - 589

Thường Tín

75 - 80

325 - 455

433 - 645

Thanh Hóa

58 - 62

311 - 382

437 - 588

Nghệ An

60 - 62

395 - 537

465 - 604

Trên cơ sở các số liệu thực nghiệm một số tác giả như Hà Học Ngô, Đào Thế
Tuấn, Nguyễn Duy Tính, tập thể các nhà khoa học thuộc Viện nghiên cứu khoa học
và kinh tế thủy lợi quốc gia đã kiểm định lại một số công thức phổ biến, xác định hệ
số cây trồng Kc cho các vùng khí hậu khác nhau, đồng thời các tác giả cũng đề nghị
một số công thức mới. Đối với cây trồng cạn, các kết quả nghiên cứu của FAO áp
dụng vào điều kiện Việt Nam từ những năm 1970 – 1980 vẫn tỏ ra có hiệu quả cao.
1.1.3 Các nghiên cứu cân bằng nước ở lưu vực sông Cả
Các nghiên cứu về cân bằng nước và phát triển bền vững nguồn nước trên
lưu vực sông Cả có một số công trình nghiên cứu tiêu biểu như:
Tiểu hợp phần 3.2 “Quản lý tổng hợp tài nguyên nước lưu vực sông
Cả” thuộc Dự án Hỗ trợ Chương trình ngành nước (WSPS) do Chính phủ Đan
Mạch viện trợ. [7]
TS. Hoàng Minh Tuyển[18] đã xây dựng thành công DSF cho lưu vực sông
Cả trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu cấp Bộ “Nghiên cứu xây dựng khung hỗ trợ
ra quyết định trong quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Cả” thực hiện năm 2004 2006, trong đó áp dụng mô hình IQQM tính toán cân bằng nước lưu vực sông Cả và
tổ hợp 15 kịch bản quy hoạch tài nguyên nước sông Cả được tính toán lưutrữ. [21]


Đề tài “Nghiên cứu giải pháp sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường
và phòng tránh thiên tai lưu vực Sông Cả” do Nguyễn Đăng Túc [17] chủ trì đã điều
tra, đánh giá hiện trạng và diễn biến tài nguyên, môi trường lưu vực Sông Cả; xác
định nguyên nhân, dự báo mức độ, quy mô ảnh hưởng của quá trình suy thoái tài
nguyên, môi trường, và các loại thiên tai: lũ, lũ quét – lũ bùn đá, trượt lở, xói lở bờ
sông, bờ biển, động đất trên lưu vực Sông Cả và xuất các giải pháp sử dụng hợp lý
tài nguyên, bảo vệ môi trường và phòng tránh thiên tai lưu vực Sông Cả. [15]
Trung tâm Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước quốc gia đã triển khai
thực hiện dự án “Điều tra đánh giá tài nguyên nước lưu vực các sông biên giới Việt
Nam - Lào thuộc lưu vực sông Mã, sông Cả” với các kết quả đạt được như: phân
tích, đánh giá hiện trạng, diễn biến tài nguyên nước mặt trong vùng dự án theo
không gian và thời gian bao gồm cả chất lượng và số lượng, tính toán chi tiết theo
từng lưu vực (để đảm bảo tính hệ thống), tính đến từng đơn vị hành chính (để phục
vụ cho công tác quản lý) cho thấy toàn cảnh bức tranh về tài nguyên nước vùng biên
giới Việt Nam – Lào; đo đạc, xác định lượng nước trên dòng chính sông Mã, Cả
ra/vào lãnh thổ Việt Nam, có ý nghĩa to lớn trong việc khai thác, sử dụng dòng sông
và nguồn nước của các sông quốc tế tại Việt Nam; xác định các vấn đề nổi cộm về
tài nguyên nước tại lưu vực các sông biên giới Việt Nam - Lào, hỗ trợ hiệu quả cho
các cấp quản lý, các ngành trong việc khai thác và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên
nước. Đồng thời là căn cứ cho việc đề xuất các giải pháp quản lý, bảo vệ và khai
thác tài nguyên nước mặt khu vực biên giới Việt Nam - Lào hiệnnay. [15]
1.2 Tổng quan các mô hình tính toán cân bằng nước
Do yêu cầu phát triển tài nguyên nước lưu vực sông để đáp ứng được các yêu
cầu về phát triển kinh tế - xã hội, hiện nay, trên thế giới đã tiến hành xây dựng các
mô hình, hệ thống các mô hình để đánh giá tác động của con người, các điều kiện
mặt đệm tới tài nguyên nước. Có thể điểm qua một số mô hình đang được sử dụng
rộng rãi trên thế giới như sau: [14]
1.2.1 Hệ thống mô hình GIBSI


Hệ thống mô hình GIBSI (GestionIntégrée des Bassins versants à I’aide d’un
SystèmeInformatisé) là một hệ thống mô hình tổng hợp chạy trên máy PC cho các
kết quả kiểm tra tác động của nông nghiệp, công nghiệp, quản lý nước về lượng và
chất đến tài nguyên nước. GIBSI có một ngân hàng dữ liệu (bao gồm các số liệu
vàcácđặctrưng)vềthủyvăn,xóimònđất,lantruyềnhóachấttrongnôngnghiệp và mô hình
chất lượng nước. Mô hình GIBSI cũng có hệ thống thông tin địa lý GIS và phần
mềm quản lý các dữ liệu có liên quan.[14]
1.2.2 Chương trình sử dụng nước WUP(Water Utilization Project)
Mô hình lưu vực và xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu là một hợp phần của
Chương trình sử dụng nước của Ủy hội sông Mê Kông. Kết quả chủ yếu của dự án
này là “Hệ thống Hỗ trợ ra Quyết định (DSF)”, trong đó bao gồm hệ thống cơ sở dữ
liệu, bộ mô hình lưu vực và các công cụ đánh giá tác động. Khi hoàn thiện WUP
DSF sẽ được sử dụng để hỗ trợ trong việc xây dựng các nguyên tắc phân bổ nguồn
nước giữa các nước trong lưu vực sông Mê Kông và hỗ trợ ra quyết định cho công
tác quản lý lưu vực sông thông qua các đánh giá về ảnh hưởng của các kịch bản
phát triển đến tài nguyên môitrường.
Ba mô hình con trong bộ mô hình lưu vực bao gồm:
- Mô hình thủy văn (mưa – dòng chảy) (SWAT) cung cấp chuỗi dòng chảy
đầu ra tại các nút trong hệ thống. Các số liệu này sẽ được sử dụng để đánh giá ảnh
hưởng đến chế độ dòng chảy của lưu vực và các công tác quản lý môi trường, các
kịch bản phát triển nguồn nước và các tiêu chuẩn vậnhành.
- Mô hình mô phỏng nguồn nước lưu vực (IQQM), mô phỏng các công trình
thủy điện, tưới, chuyển nước và thu nước. Sử dụng các chuỗi số liệu mô phỏng và
thực đo trong một hệ thống tổng thể với các kịch bản khác nhau để đưa ra một biện
pháp tối ưu và dễ vậnhành.
- Mô hình thủy động lực học (ISIS) mô phỏng chế độ thủy văn, thủy lực
vùng hồ Tonle Sap và hạ lưu Kratie, sông MêKông.[14]
1.2.3 Mô hình BASINS
Mô hình BASINS được xây dựng bởi Văn phòng Bảo vệ Môi trường (Hoa


Kỳ). Mô hình được xây dựng để đưa ra một công cụ đánh giá tốt hơn và tổng hợp
hơn các nguồn phát thải tập trung và không tập trung trong công tác quản lý chất
lượng nước trên lưu vực. Đây là một mô hình hệ thống phân tích môi trường đa mục
tiêu, có khả năng ứng dụng cho một quốc gia, một vùng để thực hiện các nghiên
cứu về nước bao gồm Lam lượng và chất trên lưu vực. Mô hình được xây dựng để
đáp ứng ba mụctiêu:
- Thuận tiện trong công tác kiểm soát thông tin môitrường.
- Hỗ trợ công tác phân tích hệ thống môitrường.
- Cung cấp hệ thống các phương án quản lý lưuvực.
Mô hình BASINS là một công cụ hữu ích trong công tác nghiên cứu về chất
và lượng nước. Với nhiều mô đun thành phần trong hệ thống, thời gian tính toán
được rút ngắn hơn, nhiều vấn đề được giải quyết hơn và các thông tin được quản lý
hiệu quả hơn trong mô hình. Với việc sử dụng GIS, mô hình BASINS thuận tiện
hơn trong việc biểu thị và tổ hợp các thông tin (sử dụng đất, lưu lượng các nguồn
thải, lượng nước hồi quy,...) tại bất kỳ một vị trí nào. Các thành phần của mô hình
cho phép người sử dụng có thể xác định ảnh hưởng của lượng phát thải từ các điểm
tập trung và không tậptrung.
Mô hình BASINS bao gồm các mô hình thành phần sau:
Mô hình trong sông: QUAL2K, phiên bản 3.2 mô hình chất lượngnước.
Các mô hình lưu vực: WinHSPF là một mô hình lưu vực dùng để xác định
nồng độ các chất thải từ các nguồn thải tập trung và không tập trung trong sông;
SWAT là một mô hình dựa trên cơ sở vật lý được xây dựng để dự đoán ảnh hưởng
của các hoạt động sử dụng đất trên lưu vực đến chế độ dòng chảy, xác định lượng
bùn cát và các chất hóa học dùng trong nông nghiệp trên toàn lưuvực.
Các mô hình lan truyền: PLOAD, là một mô hình lan truyền chất ô nhiễm
PLOAD xác định các nguồn thải không tập trung trung bình trong một khoảng thời
gian nhấtđịnh.
Các chức năng của mô hình BASIN cho phép người sử dụng có thể trình
diễn, xuất dữ liệu và thực hiện các phân tích theo các mục tiêu khác nhau.


Mô hình BASIN được sử dụng rộng rãi ở Mỹ, nó thuận tiện trong việc lưu
trữ và phân tích các thông tin môi trường, và có thể sử dụng như là một công cụ hỗ
trợ ra quyết định trong quá trình xây dựng khung quản lý lưuvực.[9]
1.2.4 Mô hình hệ thống đánh giá và phát triển nguồn nước WEAP
WEAP (Water Evaluation and Planning System) là một mô hình kết hợp
giữa việc mô phỏng hệ thống và các chính sách cần áp dụng cho lưu vực. WEAP
dựa trên nguyên tắc tính toán cân bằng giữa các nhu cầu của các dạng sử dụng
nước, giá thành và hiệu quả của các công trình cấp nước và cơ sở phân bổ nguồn
nước, với nguồn nước cung cấp bao gồm nước mặt, nước ngầm, nước hồ chứa và
các vận chuyển nguồn nước. WEAP còn phân tích các thử nghiệm về các phương
án phát triển và quản lý nguồn nước. WEAP là một mô hình toàn diện, đơn giản, dễ
sử dụng và có thể xem là công cụ trợ giúp cho các nhà lập kếhoạch.
WEAP đã được áp dụng trong nhiều dự án trên thế giới trong công tác quản
lý tổng hợp tài nguyên nước, bao gồm: Trung Quốc: xây dựng các kịch bản hỗ trợ
công tác phân bổ nguồn nước giữa các hộ sử dụng; Châu Phi: các dự án liên quan
đến phát triển nguồn nước và các kịch bản phân bổ nguồn nước ở Isrel và Palestin;
Ấn Độ và Nêpal: các phương án khai thác và bảo vệ nguồn nước trong các điều kiện
khác nhau; California, Mỹ: đánh giá ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến hệ sinh
thái.[14]
1.2.5 Bộ mô hình MIKE(DHI)
Viện thủy lực Đan Mạch (DHI) xây dựng các phần mềm để đánh giá và phân
tích các vấn đề về chất lượng và số lượng nước, đây là các phần mềm hữu ích trong
công tác lập kế hoạch phát triển và quản lý nguồn nước theo quan điểm bền vững.
Phần mềm MIKE BASIN với giao diện ArcGIS GIS là một mô hình mô phỏng
nguồn nước lưu vực sông.
MIKE BASIN đòi hỏi một số lượng số liệu không nhiều, với các mô đun tính
toán đơn giản để đưa ra các kịch bản tính toán các biến đổi của các đặc trưng dòng
chảy theo không gian và thời gian, xác định các nhu cầu dùng nước, vận hành hồ
chứa đa mục tiêu, công trình chuyển nước và đánh giá chất lượng nước, MIKE


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×