LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MÔ HÌNH WEAP TÍNH CÂN BẰNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG VỆ

Chia sẻ: Pham Linh Dan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:94

Thêm vào BST

Báo xấu

176
lượt xem 25
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nước là một tài nguyên vô tận, là tặng phẩm không bao giờ cạn của thiên nhiên! – Đó chỉ còn là sự thực của cách đây hơn 30 năm. Còn ngày nay, khi cuộc sống đã có vô vàn những thay đổi, đặc biệt là những thay đổi trong kinh tế, đời sống sản xuất thì tình trạng thiếu hụt nước lại trở thành một trong những mối lo ngại hàng đầu của con người

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MÔ HÌNH WEAP TÍNH CÂN BẰNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG VỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Ngọc Hà NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MÔ HÌNH WEAP TÍNH CÂN BẰNG NƢỚC LƢU VỰC SÔNG VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Ngọc Hà NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MÔ HÌNH WEAP TÍNH CÂN BẰNG NƢỚC LƢU VỰC SÔNG VỆ Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 60.44.90 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Tiền Giang Hà Nội- 2012
LỜI CẢM ƠN Luận văn này được hoàn thành tại Khoa Khí tượng - Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS. Nguyễn Tiền Giang, người thầy đã luôn cổ vũ, động viên, tận tình hướng dẫn và góp ý chỉ bảo trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. Học viên cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các Thầy, Cô giáo trong Khoa khí tượng Thủy văn và Hải dương học; Bộ môn Thủy văn, những người đã tận tình giúp đỡ, truyền đạt kiến thức chuyên môn và kỹ thuật trong suốt quá trình học tập. Cảm ơn gia đình, cơ quan, bạn bè và đồng nghiệp đã cổ vũ, khích lệ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này Do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy rất mong nhận được sự góp ý của các Thầy, Cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn. Học viên Nguyễn Ngọc Hà
MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU......................................................................................................................................... 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN .............................................................................................................. 3 1.1. Cân bằng nước hệ thống .................................................................................. 3 1.2. Các nghiên cứu trước đây liên quan đến cân bằng nước ................................. 4 1.2.1. Ngoài nước ................................................................................................. 4 1.2.2. Trong nước ................................................................................................. 7 1.3. Phân bổ, chia sẻ nguồn nước ......................................................................... 10 1.3.1. Ngoài nước ............................................................................................... 10 1.3.2. Trong nước ............................................................................................... 13 1.3.3. Cơ sở, nguyên tắc phân bổ chia sẻ nguồn nước ...................................... 14 1.4. Gới thiệu về lưu vực sông Vệ ........................................................................ 18 1.5. Nhận xét ......................................................................................................... 23 Chƣơng 2. PHƢƠNG PHÁP TIẾP CẬN BÀI TOÁN CÂN BẰNG NƢỚC LƢU VỰC SÔNG VỆ ..................................................................................................................................... 26 2.1. Giới thiệu mô hình WEAP............................................................................. 27 ............................................................... 27 .......................................................................... 29 .................................................................. 30 hình WEAP ........................................................................... 31 2.2. Phân vùng tính cân bằng nước ....................................................................... 33 2.2.1. Quan điểm, nguyên tắc phân vùng tính toán cân bằng nước .................. 33 2.2.2. Phân vùng tính cân bằng nước................................................................. 34 2.3. Tính toán nhu cầu dùng nước tại các tiểu vùng ............................................. 36 2.3.1. Xác định, nhận diện các hộ ngành sử dụng nước chính .......................... 36 2.3.2. Căn cứ tính toán nhu cầu sử dụng nước .................................................. 37 2.4. Tính toán dòng chảy đến tại các tiểu vùng .................................................... 45 Chƣơng 3: CÂN BẰNG NƢỚC LƢU VỰC SÔNG VỆ ........................................................... 47 3.1. Cân bằng nước hiện trạng 2010 và đến các năm 2015, 2020 ........................ 47 3.2. Tính toán cân bằng nước theo các kịch bản phát triển nguồn nước .............. 52 3.3. Tính toán cân bằng nước theo các tỷ lệ phân bổ ........................................... 63 3.4. Nhận xét ......................................................................................................... 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................................... 69 i
DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1. Phân phối dòng chảy trung bình tháng nhiều năm (m3/s) ...........................................21 Bảng 2. Đặc trưng lũ lớn tại trạm An Chỉ từ 1976 – 2009. ......................................................22 Bảng 3. Dòng chảy nhỏ nhất của trạm An Chỉ từ 1977 – 2009. ...............................................22 Bảng 4. ..................................................................22 Bảng 5. Lưu lượng nước dưới đất có thể khai thác trên lưu vực sông Vệ ................................23 Bảng 6. Tổng hợp phân vùng tính toán cân bằng nước trên lưu vực sông Vệ và các thông tin liên quan .....................................................................................................................................34 Bảng 7. Xác định các hộ, ngành sử dụng nước chính trên lưu vực sông Vệ ............................37 Bảng 8. Kết quả tính toán nhu cầu nước hiện trạng năm 2010, các năm 2015, 2020 trên toàn lưu vực sông Vệ .............................................................................................................................41 Bảng 9. Tổng hợp kết quả tính toán nhu cầu nước hiện trạng 2010 của các ngành trên từng tiểu lưu vực thuộc lưu vực sông Vệ (nghìn m3) ............................................................................42 Bảng 10. Tổng hợp kết quả tính toán nhu cầu nước đến 2015 các ngành trên từng tiểu lưu vực thuộc lưu vực sông Vệ (nghìn m3).................................................................................................43 Bảng 11. Tổng hợp kết quả tính toán nhu cầu nước đến 2020 các ngành trên từng tiểu lưu vực thuộc lưu vực sông Vệ (nghìn m3).................................................................................................44 Bảng 12. Kết quả đánh giá chỉ tiêu NASH ứng dụng mô hình TANK ......................................45 Bảng 13. Kết quả tính toán lưu lượng dòng chảy đến các tiểu lưu vực (vùng cân bằng nước) từ mô hình TANK ..............................................................................................................................46 Bảng 14. Kết quả tính toán cân bằng nước hiện trạng 2010 (triệu m3) ......................................50 Bảng 15. Kết quả tính toán cân bằng nước giai đoạn 2015 (triệu m3)........................................51 Bảng 16. Kết quả tính toán cân bằng nước giai đoạn 2020 (triệu m3)........................................51 Bảng 17. Tổng hợp xây dựng các kịch bản tính toán .................................................................53 Bảng 18. Tổng hợp các kịch bản tính cân bằng nước giai đoạn 2011-2015 (theo các năm) ......55 Bảng 19. Tổng hợp các kịch bản tính cân bằng nước giai đoạn 2011-2015 (theo các ngành) ...55 Bảng 20. Kết quả lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2015 – kịch bản 1 ..............58 Bảng 21. Kết quả lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2015 – kịch bản 2..............58 Bảng 22. Kết quả lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2015 – kịch bản 3..............59 Bảng 23. .....................................................................................................................................59 Bảng 24. Kết quả lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2015 – kịch bản 4 ..............60 Bảng 25. Kết quả lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2020 – kịch bản 1 ..............60 Bảng 26. Kết quả lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2020 – kịch bản 2..............61 Bảng 27. Kết quả lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2020 – kịch bản 3 ..............62 Bảng 28. Kết quả lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2020 – kịch bản 4 ..............62 Bảng 29. Kết quả tính cân bằng giai đoạn 2011-2020 theo các tỷ lệ phân bổ ............................65 Bảng 30. So sánh tổng lượng nước thiếu (triệu m3) giữa hai kịch bản 4 và 5 ............................65 ii
DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1. Sơ đồ các nước, vùng lãnh thổ đã và đang ứng dụng mô hình WEAP ......................... 7 Hình 2. Phạm vi và đối tượng các nghiên cứu điển hình và đào tạo từ dự án tăng cường năng lực các Viện ngành nước (2001-2005) ............................................................................................ 8 Hình 3. Các nhân tố của một hệ thống chia sẻ tổng hợp TNN .................................................17 Hình 4. Các hợp phần của một hệ thống cấp nước mặt ...........................................................18 Hình 5. Vị trí lưu vực sông Vệ trong tỉnh Quảng Ngãi ............................................................19 Hình 6. Bản đồ lưu vực sông Vệ ..............................................................................................19 Hình 7. Sơ đồ hình thái sông suối thuộc lưu vực sông Vệ .......................................................19 Hình 8. Bản đồ DEM (90x90 m) lưu vực sông Vệ ..................................................................19 Hình 9. Sơ đồ tính toán cân bằng nước áp dụng cho lưu vực sông Vệ ....................................26 Hình 10. Số hóa lưới sông và phân vùng tính cân bằng nước trong mô hình WEAP ................35 Hình 11. Bài toán hiệu chỉnh và lựa chọn bộ thông số mô hình TANK ....................................45 Hình 12. Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng lưu lượng tính toán và thực đo trạm An Chỉ - bài toán hiệu chỉnh ...............................................................................................................46 Hình 13. Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng lưu lượng tính toán và thực đo trạm An Chỉ - bài toán kiểm định ................................................................................................................46 Hình 14. Sơ đồ mô hình hóa tính toán cân bằng nước hiện trạng: (a) số hóa mạng lưới sông suối trong mô hình; (b) các hộ sử dụng nước được thiết lập; (c) xây dựng sơ đồ khai thác sử dụng của các hộ ngành và các vấn đề liên quan .....................................................................................48 Hình 15. Thống kê các thành phần được xây dựng và đưa vào mô hình đối với bài toán cân bằng nước hiện trạng năm 2010 lưu vực sông Vệ (a) Schematic view; (b) Data view .................49 Hình 16. Biểu đồ kết quả tính toán lượng nước thiếu giai đoạn hiện trạng năm 2010 ..............50 Hình 17. Biểu đồ kết quả tính toán lượng nước thiếu giai đoạn năm 2015 ...............................51 Hình 18. Biểu đồ kết quả tính toán lượng nước thiếu giai đoạn năm 2020 ...............................52 Hình 19. Xây dựng các kịch bản tính toán cân bằng nước giai đoạn 2011 – 2020 trong mô hình WEAP .....................................................................................................................................54 Hình 20. Biểu đồ yêu cầu duy trì dòng chảy môi trường hạ du sông Vệ ...................................54 Hình 21. Xây dựng kịch bản và tính toán cân bằng nước theo các kịch bản .............................54 Hình 22. Biểu đồ kết qủa lượng nước thiếu giai đoạn 2011 – 2020 theo 4 kịch bản tính toán ..56 Hình 23. Biểu đồ kết qủa lượng nước thiếu giai đoạn 2011 – 2020 của các ngành theo 4 kịch bản tính toán ..................................................................................................................................57 Hình 24. Biểu đồ lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2015 – kịch bản 1..............58 Hình 25. Biểu đồ lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2015 – kịch bản 2..............59 Hình 26. Biểu đồ lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2015 – kịch bản 3 ..............59 Hình 27. Biểu đồ lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2015 – kịch bản 4 ..............60 Hình 28. Biểu đồ lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2020 – kịch bản 1..............61 Hình 29. Biểu đồ lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2020 – kịch bản 2..............61 Hình 30. Biểu đồ lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2020 – kịch bản 3 ..............62 Hình 31. Biểu đồ lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2020 – kịch bản 4 ..............63 Hình 32. Biểu đồ so sánh cắt giảm tổng lượng nước thiếu (triệu m3) giữa kịch bản 4 và 5 ......66 iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TNN Tài nguyên nước TNMT Tài nguyên Môi trường KTTV Khí tượng thủy văn KHTN Khoa học tự nhiên LVS Lưu vực sông NĐ-CP Nghị định của Chính phủ TT Thông tư HSTTS Hệ sinh thái thủy sinh BĐKH Biến đổi khí hậu HTX Hợp tác xã TANK Mô hình bể chứa của Nhật Bản GIS Geographic Information Systems (Hệ thống thông tin địa lý) WEAP Water Evaluation And Planning System (Hệ thống quy hoạch và đánh giá nguồn nước) IWMI International Water Management Institute (Viện quản lý tài nguyên nước quốc tế) GWP Global Water Partnership (mạng lưới cộng tác vì nước toàn cầu) ADB Asian Development Bank (ngân hàng phát triển Châu Á) YRCC Yellow River Conservancy Commission (Ủy ban bảo vệ sông Hoàng Hà) NVE Norwegian water resources and energy directorate (Tổng cục Năng lượng và tài nguyên nước Nauy) iv
MỞ ĐẦU Nước là một tài nguyên vô tận, là tặng phẩm không bao giờ cạn của thiên nhiên! – Đó chỉ còn là sự thực của cách đây hơn 30 năm. Còn ngày nay, khi cuộc sống đã có vô vàn những thay đổi, đặc biệt là những thay đổi trong kinh tế, đời sống sản xuất thì tình trạng thiếu hụt nước lại trở thành một trong những mối lo ngại hàng đầu của con người. Hệ lụy của tình trạng cạn kiệt nguồn tài nguyên nước là không thể lường trước, nó gây ra những ảnh hưởng to lớn tới từng cá thể trong cộng đồng sống trên một lưu vực sông hay một vùng lãnh thổ; cuộc sống sinh hoạt và sản xuất sẽ trở nên khó khăn hơn, dẫn đến tình trạng đói nghèo và những hệ quả liên quan. Tính toán cân bằng nước nhằm mục đích xác định một vùng một lưu vực hay một phân khu tiểu lưu vực nào đó có đủ nước, thừa nước hay thiếu nước hay không trong các điều kiện phát triển tài nguyên nước khác nhau trong các trường hợp bình thường hay hạn hán hay trong các trường hợp kịch bản nguồn nước đến cùng với phương án khai thác sử dụng khác nhau. Cân bằng nước được định nghĩa là sự thay đổi lưu lượng, tổng lượng dòng chảy (số lượng nước) còn lại sau khi lấy lưu lượng, tổng lượng dòng chảy đến trừ đi lưu lượng, tổng lượng dòng chảy đi. Cân bằng nước là nguyên lý chủ yếu được sử dụng cho tính toán, quy hoạch và quản lý tài nguyên nước. Nó biểu thị mối quan hệ cân bằng giữa lượng nước đến, nước đi và lượng trữ của một khu vực, một lưu vực hoặc của một hệ thống sông trong điều kiện tự nhiên hay có sử dụng của con người. Trong những năm gần đây, những nghiên cứu áp dụng mô hình tính toán cân bằng nước trên lưu vực sông như một công cụ hỗ trợ quản lý tổng hợp tài nguyên nước khi xem xét phát triển nguồn nước, quy hoạch tài nguyên nước, điều hành quản lý nguồn nước trên một lưu vực sông ở trên thế giới cũng như ở trong nước ngày càng diễn ra mạnh mẽ. Việc áp dụng công cụ mô hình tính toán cân bằng nước tham gia vào quá trình quản lý tổng hợp lưu vực nhằm giúp cho 1
nhà quản lý, các hộ ngành sử dụng nước trên lưu vực có cái nhìn tổng hợp và toàn diện hơn về nguồn tài nguyên nước trên lưu vực, đồng thời, các bên liên quan tìm kiếm sự đồng thuận, chia sẻ cơ hội và định hướng khai thác nguồn nước trên lưu vực đáp ứng cho các mục tiêu trước mắt và lâu dài. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ về máy vi tính và các công cụ tính toán nên phương pháp mô hình toán ngày càng được sử dụng phổ biến trong bài toán cân bằng nước lưu vực. Các mô hình có thể kể đến để giải quyết bài toán đó là: MITSIM, WUS, RIBASIM, MIKE BASIN,WEAP... Luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu ứng dụng mô hình WEAP tính toán cân bằng nước cho lưu vực sông Vệ - tỉnh Quảng Ngãi (giai đoạn hiện tại và đến năm 2015 và 2020). Đồng thời, qua kết quả tính toán cân bằng nước bằng mô hình WEAP nguyên tắc và tỷ lệ phân bổ nguồn nước trên lưu vực sông Vệ, đặc biệt là trong tình huống thiếu nước được đề xuất. Mục tiêu của luận văn là xây dựng được mô hình WEAP tính cân bằng nước lưu vực sông Vệ giai đoạn hiện trạng 2010 và giai đoạn 2011 – 2020 có xét đến sử dụng thành phần nước ngầm. Đồng thời, đề xuất phương pháp luận phân bổ chia sẻ nguồn nước áp dụng đối với lưu vực sông Vệ Cấu trúc của luận văn ngoài phần mở đầu và phần kết luận được chia làm 3 chương: Chƣơng 1. Tổng quan Chƣơng 2. Phương pháp tiếp cận bài toán cân bằng nước lưu vực sông Vệ Chƣơng 3: Cân bằng nước lưu vực sông Vệ 2
Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1. Cân bằng nƣớc hệ thống Hệ thống nguồn nước là thuật ngữ được Van te Chow sử dụng đầu tiên để mô tả các lĩnh vực kỹ thuật của thuỷ văn, thủy lực và tài nguyên nước. Hệ thống nguồn nước cũng đồng thời được sử dụng để đề cập tới các dự án nước bao gồm các hệ thống trữ nước mặt, hệ thống nước ngầm, hệ thống phân phối nước, hệ thống kiểm soát lũ, và hệ thống tiêu nước [14], [15]. Theo quan điểm hệ thống, hệ thống nguồn nước được định nghĩa như sau: “Hệ thống nguồn nước là một hệ thống phức tạp bao gồm tài nguyên nước, các công trình khai thác nguồn nước, các yêu cầu về nước cùng với mối quan hệ tương tác giữa chúng và chịu tác động của môi trường lên nó”. (1) Nguồn nước được đánh giá bởi các đặc trưng: lượng và phân bố của nó theo không gian và thời gian; chất lượng nước; động thái của chúng. (2) Các biện pháp khai thác và bảo vệ nguồn nước: các công trình thủy lợi, các biện pháp cải tạo và bảo vệ nguồn nước, bao gồm cả biện pháp công trình và phi công trình, được cấu trúc tùy thuộc vào mục đích khai thác và bảo vệ nguồn nước. (3) Các yêu cầu về nước: các hộ dùng nước, các yêu cầu về mức bảo đảm phòng chống lũ lụt, úng hạn, các yêu cầu về bảo vệ hoặc cải tạo môi trường cùng các yêu cầu dùng nước khác. Tác động của môi trường là những tác động về hoạt động dân sinh kinh tế, hoạt động của con người (không kể các tác động về khai thác nguồn nước theo quy hoạch). Những tác động đó bao gồm ảnh hưởng của các biện pháp canh tác làm thay đổi mặt đệm và lòng dẫn, sự tác động không có ý thức vào hệ thống các công trình thủy lợi… Cân bằng nước hệ thống là một vấn đề rất xưa nhưng lại luôn mới, nó vừa là phương pháp, vừa là đối tượng nghiên cứu. Cân bằng nước là mối quan hệ định lượng giữa nước đến và đi của hệ thống nguồn nước (toàn cầu, miền, 3
lãnh thổ, lưu vực, đoạn sông,...). Lượng nước đi gồm bốc thoát hơi nước, ngấm xuống tầng sâu, nước cấp cho các nhu cầu sử dụng nước trên lưu vực và dòng chảy ra khỏi lưu vực. Lượng nước đến hệ thống được thể hiện dưới các dạng nước mưa, dòng chảy và nước hồi quy sau khi sử dụng. Cân bằng nước hệ thống là sự cân bằng tổng thể giữa tài nguyên nước của hệ thống; định lượng nước đến, đi khỏi hệ thống, trong đó đã bao gồm các yêu cầu về nước và khả năng điều tiết chúng. Từ đó đánh giá sự tương tác về nước giữa các thành phần trong hệ thống, các tác động của môi trường lên nó và đề ra các biện pháp khai thác, bảo vệ nguồn nước một cách hợp lý. Việc nghiên cứu cân bằng nước có ý nghĩa rất lớn cả về lý thuyết và thực tiễn. Từ góc độ lý thuyết, phương trình cân bằng nước cho phép ta cắt nghĩa nguyên nhân, các hiện tượng, chế độ thủy văn của một khu vực xác định, đánh giá các số hạng trong cán cân nước và mối quan hệ tương tác giữa chúng. Nghiên cứu cân bằng nước cho phép định lượng đầy đủ và chính xác tài nguyên nước để tìm ra phương thức sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên quý giá này. Trên quan điểm đó bài toán cân bằng nước hệ thống đã tập trung giải quyết các vấn đề (i) Phân vùng tiềm năng nguồn nước, (ii) Tính toán nhu cầu nước của các hộ dùng nước khác nhau và (iii) Tính toán các phương án sử dụng nguồn nước hay thực chất là bài toán cân bằng kinh tế nước. 1.2. Các nghiên cứu trƣớc đây liên quan đến cân bằng nƣớc 1.2.1. Ngoài nước Hệ thống mô hình GIBSI được áp dụng cho các lưu vực ở Canada có hệ sinh thái và tình hình phát triển công nghiệp, nông nghiệp, đô thị phức tạp. GIBSI 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 cả về lượng và chất đến tài nguyên nước. Mô hình GIBSI cho khả năng dự báo các tác động của công nghiêp, rừng, đô thị, các dự án nông nghiệp đối với môi trường tự nhiên, có tác dụng cảnh báo 4
các hộ dùng nước biết trước và tôn trọng các tiêu chuẩn về số lượng, chất lượng nguồn nước dùng GIBSI là tập hợp những mô hình bộ phận bao gồm: - Mô hình thuỷ văn HYDROTEL; - Mô hình phân giải vật lý có hệ thống viễn thám, hệ thống thông tin địa lý - Mô hình USLE dùng cho vận chuyển phù sa và xói mòn đất; - Mô hình lan truyền chất hoá học trong nông nghiệp dựa trên mô hình lan truyền ni-tơ, phốt-pho, thuốc trừ sâu (sử dụng một mô đun trong mô hình SWAT); - Mô hình chất lượng nước QUAL2E, mô hình chất lượng nước để mô phỏng các yếu tố: + Độ khuyếch tán và keo tụ các chất hoà tan trong nước (chất gây ô nhiễm); + Sự phát triển loài tảo; + Chu trình của ni-tơ, phốt-pho; + Sự phân rã Coliform; + Làm thông khí; + Nhiệt độ của nước;. 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 cả lượng và chất trên lưu vực. Mô hình được xây dựng để đáp ứng 3 mục tiêu: (1) Thuận tiện trong công tác kiểm soát thông tin môi trường; (2) Hỗ trợ công tác phân tích hệ thống môi trường; (3) Cung cấp hệ thống các phương án quản lý lưu vực. 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 5
xác định ảnh hưởng của lượng phát thải từ các điểm tập trung và không tập trung. Tổ hợp các mô đun thành phần có thể giúp cho việc phân tích và quản lý lưu vực theo hướng: - Xác định và thứ tự ưu tiên các giới hạn về môi trường nước; - Đặc trưng các nguồn thải và xác định độ lớn cũng như tiềm năng phát thải. - Tổ hợp các lượng thải từ các điểm nguồn tập trung và không tập trung và quá trình vận chuyển trên lưu vực cũng như trên sông. - Xác định, so sánh giá trị tương đối của các chiến lược kiểm soát ô nhiễm. - Trình diễn và công bố trước công chúng dưới dạng các bảng biểu, hình vẽ và bản đồ. Mô hình BASIN bao gồm các mô hình thành phần sau: - Mô hình trong sông: QUAL2E, phiên bản 3.2 mô hình chất lượng nước. - 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 các chất hoá học dùng trong nông nghiệp trên toàn lưu vực. - 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 nhất định. 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 cô ng cụ hỗ trợ ra quyết định trong quá trình xây dựng khung quản lý lưu vực. 6
Tính đến thời điểm hiện tại, liên quan đến việc ứng dụng mô hình WEAP ở các nước trên thế giới có khoảng hơn 30 dự án đánh giá nước ở các quốc gia trên hầu hết các châu lục bao gồm Mỹ, Trung Quốc, Thái Lan, Ấn Độ, Mexico, Brazil, Đức, Hàn Quốc, Ghana, Kenya, Nam Phi, Ai Cập, Israel và Oman. Hình 1. Sơ đồ các nước, vùng lãnh thổ đã và đang ứng dụng mô hình WEAP 1.2.2. Trong nước Các dự án phát triển nguồn nước những năm 80 chủ yếu của Viện Quy hoạch thủy lợi dưới dạng các dự án quy hoạch chuyên ngành có liên quan đến nguồn nước với các tên gọi như quy hoạch thủy lợi; quy hoạch tưới, tiêu; quy hoạch sử dụng tổng hợp nguồn nước và bảo vệ môi trường, thời kỳ đó việc tính toán cân bằng nước chủ yếu áp dụng công cụ mô hình MITSIM chạy trên môi trường DOS. Sau những năm 2000 đặc biệt là sau năm 2002 với sự hỗ trợ nguồn lực và công nghệ từ các tổ chức nước ngoài, tiêu biểu nhất là tổ chức DANIDA của Đan Mạch đã hợp tác hỗ trợ thực hiện dự án “Tăng cường năng lực các viện ngành nước” và đưa bộ công cụ mô hình MIKE do DHI (viện thủy lực Đan Mạch) phát triển vào ứng dụng rộng rãi và mạnh mẽ ở Việt Nam, từ đó việc tính toán cân bằng nước ngoài cơ quan đầu mối là Viện Quy hoạch Thủy lợi với kinh nghiệm và thực tiễn sử dụng mô hình MITSIM cùng với “người dùng mới” từ các cơ quan thuộc Viện Khoa học Thủy lợi (nay là viện nghiên cứu Thủy lợi); 7
các trường Trường Đại học (tiêu biểu là Đại học Thủy lợi); các Viện nghiên cứu …vv đã bắt đầu tiếp cận ứng dụng mô hình MIKE BASIN. Hình 2. Phạm vi và đối tượng các nghiên cứu điển hình và đào tạo từ dự án tăng cường năng lực các Viện ngành nước (2001-2005) Gần đây, tham gia vào việc tính toán cân bằng nước trên các lưu vực sông ở Việt Nam ngoài việc ứng dụng mô hình MITSIM (đã được cải tiến chạy trên môi trường Window), mô hình MIKE BASIN (đã trở nên phổ biến), mô hình IQQM (tích hợp trong bộ MRC Toolbox của Ủy hội sông Mêkong quốc tế) thì còn có thêm mô hình WEAP (do Viện môi trường Stockhom có trụ sở tại Mỹ phát triển) tham gia vào việc tính toán cân bằng nước và lập kế hoạch sử dụng nước. Dựa vào các kết quả nghiên cứu có thể phân quá trình phát triển thành 2 thời kỳ (i) thời kỳ nghiên cứu cân bằng nước tự nhiên và (ii) cân bằng nước kinh tế. a. Cân bằng nước tự nhiên 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, 8
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 là mối quan hệ giữa mưa và lớp dòng chảy tương ứng tại cửa ra của lưu vực, mối quan hệ giữa khí hậu và dòng chảy với 2 mùa khí hậu trong năm dẫn tới việc hình thành 2 mùa dòng chảy tương ứng và tác động của mặt đệm tới quá trình hình 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. Nghiên cứu căn nguyên quá trình hình thành dòng chảy trên các sông suối nước ta, PTS 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 tọa độ”. 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 Việt Nam. 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. 9
b. Giai đoạn nghiên cứu cân bằng nước có gắn với bài toán kinh tế nước 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 (Chương trình KC12), quy hoạch tổng thể đồng bằng sông Hồng, sông Cửu Long, Tây Nguyên, Đồng Nai, vùng núi phía Bắc. 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 Mekông, quy hoạch thủy lợi, hoàn chỉnh các hệ thống thủy nông đã được tiến hành. Về nghiên cứu sử dụng nguồn nước các hệ thống tưới, từ những năm 1960 chúng ta đã thành lập một mạng lưới các trạm, trại thí nghiệm ở Hà Nội, c ác tỉnh Hà Tây (cũ), 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. 1.3. Phân bổ, chia sẻ nguồn nƣớc 1.3.1. Ngoài nước Trên thế giới, từ xa xưa, nguồn nước đã được chia sẻ, phân bổ trên cơ sở các tiêu chí của xã hội để duy trì cho cộng đồng có nước dùng cho sinh hoạt, vệ sinh và sản xuất hàng hóa. Các cộng đồng xã hội đã xây dựng cơ sở hạ tầng và các công trình để duy trì việc chia sẻ này. Tuy nhiên, sự phát triển của xã hội cùng với sự hiểu biết về phân phối hàng hóa đã nảy sinh các vấn đề mới về chia sẻ phân bổ nước. Trong bối cảnh đó, nước dần dần được coi như một thứ hàng hóa và người ta đã đưa ra những nguyên tắc có thể giúp việc quản lý chia sẻ phân bổ nguồn nước trên cơ sở coi nước là hàng hóa. Đồng thời, cũng có những nguyên tắc kinh tế áp dụng trong tình huống thiếu nước. Bên cạnh đó, cũng có các công cụ và giải 10
pháp thực tế hỗ trợ cho việc phân bổ nước trên cơ sở nhu cầu người sử dụng, tính chí phí thực của nước, kế hoạch phát triển kinh tế-xã hội, và thị trường về nước. Bằng cách đưa ra các hình thức, cơ chế phân bổ thích hợp, cần thiết để đạt được sự phân bổ tối ưu tài nguyên nước. Có một số tiêu chí thường được dùng để so sánh các hình thức phân bổ khác nhau, đó là: Có tính linh hoạt trong phân bổ cấp nước sao cho nước có thể chuyển từ việc dùng cho nhu cầu này sang cho nhu cầu khác, chuyển từ nơi này sang nơi khác mỗi khi có yêu cầu cần thay đổi để có thể đem lại lợi nhuận cao với chi phí thấp nhất; Bảo đảm an toàn về quyền sở hữu cho người sử dụng để họ có thể áp dụng các biện pháp cần thiết để sử dụng tài nguyên nước một cách có hiệu quả. Tiêu chí Bảo đảm an toàn không xung đột với tiêu chí Linh hoạt chừng nào nguồn nước dự trữ vẫn đủ đáp ứng các nhu cầu không định trước; Có tính đến chi phí cơ hội thực do người sử dụng nước phải trả cho việc cung cấp tài nguyên nước để cho các nhu cầu khác hoặc các yếu tố khách quan trở thành yếu tố chủ quan. Điều này cho phép việc phân bổ nước có tính đến nhu cầu nước cho môi trường với giá trị phi thị trường (chẳng hạn như cấp nước bảo đảm đời sống thủy sinh). Điều này cũng hướng việc sử dụng TNN tới các hoạt động có giá trị lợi nhuận cao nhất; Có khả năng dự báo về kết quả của phương án phân bổ để phương án phân bổ tốt nhất có thể đem lại giá trị vật chất thực tế và giảm thiểu tính bất định; Có tính công bằng trong phương án phân bổ thể hiện ở chỗ bất cứ người nào muốn dùng nước cũng đều có thể có cơ hội kiếm được lợi nhuận như nhau từ việc sử dụng nước; Sự chấp nhận của xã hội để phương án phân bổ đạt được các giá trị và mục tiêu đã đề ra và vì thế được chấp nhận bởi các nhóm lợi ích khác nhau trong xã hội; 11
Có tính hiệu quả để phương án phân bổ làm thay đổi tình trạng hiện tại như suy thoái nước dưới đất hay ô nhiễm nước, và vì thế hướng tới mục tiêu chính sách mong muốn; Có tính bền vững và khả thi về hành chính để có thể thực hiện cơ chế phân bổ và cho phép tác động của chính sách luôn được duy trì và phát huy. Tại một số quốc gia, kinh nghiệm đề xuất các phương pháp, cơ chế phân bổ chia sẻ nguồn nước như sau [30] Cơ chế phân bổ trên cơ sở chi phí giá thành: Kinh nghiệm điển hình của loại này là ở Pháp với việc thiết kế giá bán nước xuất phát từ mục tiêu mà giá bán phải phản ánh được là: Trong thời kỳ căng thẳng, giá bán nước bao gồm cả chi phí vận hành cộng với chi phí đầu tư công trình dài hạn; Trong thời kỳ không căng thẳng, giá bán nước chỉ tính theo chi phí vận hành; Tiết kiệm lượng nước sử dụng bằng hình thức thu phí môi trường; Cơ chế điều tiết thông qua thị trƣờng mua bán nƣớc: Kinh nghiệm điển hình của lọai này có thể thấy ở thị trường mua bán nước ở Chi Lê; ở Ngân hàng trao đổi nước khi hạn hán ở California (Mỹ); ở Thị trường trao đổi mua bán nước ngầm ở Ấn Độ; và việc chuyển nước tại các tiểu bang Niu-Sao-Oel, Nam Úc, Queensland, Victoria của Úc. Hình thức thị trường mua bán nước, chuyển nước vừa có mặt lợi, vừa có mặt bất lợi. Chẳng hạn như đối với vùng mua nước, các lợi ích bao gồm làm tăng thu nhập của người dân, bảo vệ môi trường sinh thái, khôi phục và bảo vệ nguồn nước dưới đất; tuy nhiên, đối với vùng bán nước, việc bán nước cũng có một số hậu quả như làm xói mòn đất và tăng lượng người thất nghiệp Cơ chế phân bổ trên cơ sở nhu cầu ngƣời sử dụng: Cơ chế phân bổ trên cơ sở nhu cầu của người sử dụng thường được áp dụng trong Hợp tác xã dùng nước hay các Hội dùng nước. Đây là một hình thức có thể thấy ở nhiều nơi trên thế giới như bang Utah của Mỹ, vùng Tamil Nadu của Ấn Độ, v.v. Các HTX dùng nước được hình thành trên cơ sở tự nguyện của những người có nhu cầu dùng nước. Họ cùng nhau đầu tư xây dựng công trình và tự quản lý, phân bổ nước 12
theo nhu cầu của các thành viên trên cơ sở mức đóng góp đầu tư xây dựng công trình. Hình thức này có ưu điểm là sử dụng nước có hiệu quả và tránh được xung đột về sử dụng nguồn nước. Tuy nhiên, các Hợp tác xác dùng nước không có khả năng đầu tư xây dựng các công trình hồ, đập có quy mô lớn. Cơ chế phân bổ trên cơ sở khả năng của nguồn nƣớc: Điển hình của phương pháp pháp bổ này là kinh nghiệm của Trung Quốc trong việc quản lý lưu vực sông Hoàng Hà. Theo đó, Ủy ban Bảo vệ Sông Hoàng Hà (YRCC) quản lý, vận hành trực tiếp các vị trí lấy nước và các hồ chứa quan trọng và phân bổ nguồn nước cho các địa phương trên cơ sở khả năng của nguồn nước, với việc phân cấp quản lý và chia sẻ trách nhiệm. Cụ thể là, Ủy ban YRCC cấp phép lượng nước cho mỗi tỉnh hoặc khu tự trị và kiểm tra lưu lượng nước tại ranh giới các tỉnh.Chính quyền của tỉnh có trách nhiệm đối với lượng nước được phân bổ và sử dụng lượng nước đó theo quy định của địa phương mình. Lượng nước phân bổ cho mỗi tỉnh được điều chỉnh tăng hoặc giảm một trong các tỷ lệ với tổng lưu lượng dòng chảy tự nhiên được dự báo. Lượng nước tăng thêm hay giảm đi của mỗi tỉnh đó lại được Ủy ban YRCC kiểm soát qua lưu lượng nước sông tại các vị trí ở ranh giới các tỉnh. Ủy ban YRCC xây dựng kế hoạch và thực hiện kế hoạch phân bổ hàng năm và hàng tháng. Phương pháp phân bổ này có sự can thiệp của Nhà nước và cộng đồng thông qua một ủy ban bảo vệ lưu vực sông và mang tính công bằng đối với các địa phương. Trong tình huống thiếu nước các địa phương đều phải chịu rủi ro như nhau và phải chủ động điều chỉnh nhu cầu nước của mình. Việc giám sát chặt chẽ nguồn nước tại các vị trí thuộc ranh giới vào ra của con sông chảy qua các tỉnh là một kinh nghiệm tốt có thể áp dụng đối với các lưu vực sông liên tỉnh ở Việt Nam. 1.3.2. Trong nước Ở trong nước, đã có một số nghiên cứu về phân bổ nguồn nước trên cơ sở hiệu ích kinh tế sử dụng nước. Các nghiên cứu này sử dụng công cụ mô hình GAMS để phân tích các phương án phân bổ nước tối ưu cho các lưu vực sông 13