Thạc Sĩ So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ

Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước
lưu vực Thác Mơ”
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Nước là yếu tố quyết định đến sự tồn tại và phát triển môi trường sống. Nước là một
loại tài nguyên thiên nhiên quý giá và có hạn, là động lực chủ yếu chi phối mọi hoạt
động dân sinh kinh tế của con người. Nước được sử dụng cho nông nghiệp, phát
điện, giao thông vận tải, chăn nuôi, thuỷ sản, cấp nước sinh hoạt, công nghiệp, du
lịch, cải tạo môi trường Bởi vậy, tài nguyên nước có giá trị kinh tế và được coi là
một hàng hoá[4].
Lưu vực Thác Mơ là một chi lưu của lưu vực sông Bé. Là vùng đồi núi trung du
nằm trong địa phận các tỉnh Đắc Nông và Bình Phước có độ cao từ vài chục đến
hơn 1000 m (dữ liệu khai thác từ bản đồ cao độ số DEM 90 m x 90 m). Tài nguyên
nước lưu vực sông Bé có tiềm năng rất dồi dào, phân tích thống kê tài liệu khí
tượng thuỷ văn, lượng mưa trung bình lưu vực khoảng 2200 – 2700 mm/năm tăng
dần từ hạ lưu lên thượng lưu với hệ số dòng chảy α = 0.55[28], là nguồn cung cấp
nước chính cho phát triển kinh tế địa phương và cả khu vực hạ du.
Về khai thác tài nguyên nước, trên lưu vực Thác Mơ có hệ thống thuỷ lợi, thuỷ điện
Thác Mơ được thiết kế và đi vào vận hành từ năm 1994 trong tổng thể bốn bậc
thang trên dòng sông Bé (từ thượng lưu tới hạ lưu): Thác Mơ, Cần Đơn,Srok Phu
Miêng và Phước Hoà. Hệ thống thuỷ điện, thuỷ lợi này đã và đang tạo một sản
lượng điện lớn cho lưới điện quốc gia; cung cấp nước tưới, sinh hoạt, công nghiệp,
cải tạo môi trường và phòng chống lũ góp phần quan trọng vào sự phát triển bền
vững kinh tế xã hội khu vực Đông Nam Bộ, nơi được quy hoạch thành Vùng kinh tế
Trọng điểm phía Nam (Southern Focal Economic Area – SFEA). Ngoài ra còn có
các hồ chứa nhỏ được xây dựng nhằm thoả mãn nhu cầu nước cục bộ. Do đó, dòng
chảy tự nhiên trên hệ thống sông có sự thay đổi lớn.
Đã có nhiều nghiên cứu về tài nguyên nước lưu vực sông Bé, đặc biệt trong những
năm gần đây[12], [13], [15]. Tuy nhiên, do việc khai thác nguồn nước như đã nêu ở trên
cũng như do sự biến đổi khí hậu toàn cầu và thay đổi mặt đệm (phá rừng, chuyển
đổi cơ cấu cây trồng) nên việc cập nhật nghiên cứu vẫn là vấn đề thời sự.
Ngày nay, cùng với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin, nhiều mô hình toán thuỷ văn
có thể mô phỏng khá tốt nguồn nước trên các lưu vực sông. Nhiều phần mềm tính
toán đã được xây dựng, kiểm tra trên thực tế và hiệu chỉnh nên đã cho kết quả gần
phù hợp với thực tế. Sự ra đời của các phần mềm mô phỏng này đã mở ra một kỹ
nguyên mới cho việc dự báo và dự đoán nguồn nước. các mô hình này đã trở thành
một công cụ đắc lực, hỗ trợ rất nhiều trong việc tính toán nên việc đánh giá tài
nguyên nước trở nên dễ dàng và nhanh chóng hơn.
Tuy nhiên, mô hình toán không phải lúc nào hay mô hình nào cũng thích hợp cho
bất cứ vùng nào; hay nói một cách khác rằng không có mô hình nào mang tính chất
toàn cầu[27]. Việc lựa chọn mô hình ứng dụng cho mỗi điều kiện nhất định cũng là
một vấn đề khó khăn đối với các chuyên gia thuỷ văn. Như vậy, việc nghiên cứu mô
hình toán thuỷ văn ứng dụng đầy về lưu vực Thác Mơ để phát huy hiệu quả việc
xây dựng công trình, tận dụng tối đa nguồn nước là việc làm cấp bách hiện nay.
Qua phân tích ở trên, đề tài “So sánh ứng dụng mô hình thuỷ văn NAM và
FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” được đề xuất thực hiện.
2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
2.1 Thế gới
Cách mạng số hoá bắt đầu với sự ra đời của máy tính trong những năm 1960 của thế
kỷ 20. Khả năng của máy tính từ đó tăng lên rất nhanh. Cách mạng số còn thúc đẩy
nhiều cuộc cách mạng khác, đó là mô phỏng số và mô phỏng thống kê. Do đó,
những thuận lợi về mô hình lưu vực đã ra đời và khởi nguyên là sự phát triển mô
hình lưu vực Stanford (the Stanford Watershed Model – SWM) bởi Crawford và
Linsley vào năm 1966[19].
Trong suốt những năm 1970 và 1980, một số mô hình toán học đã được phát triển.
Quả thực có sự gia tăng đáng kể về mô hình thuỷ văn từ đó, với việc đi sâu nghiên
cứu về mô hình dựa trên quá trình vật lý như: SWMM (Storm Water Managerment
Model), NWS (Nation Weather Service River Forecast Systerm), NAM model
(Nedbor Afstromnings), TOP model, IHDM (Institute of Hydrology Distributed
Model), Xinanjiang[27], SSARR (Streamflow Synthesis and Reservoir
Regulation)[23] tất cả những mô hình này đã và đang được cải tiến đáng kể. SWM
được cải tiến thành HSPF (Hydrological Simulation Program-Fortran). Xinanjiang
được phát triểu thành FRASC (Flow-Routed Accumulation Sinmulation in a
Catchment)[27]. Ngày nay, sư phát triển các mô hình mới hay cải tiến mô hình trước
đây vẫ đang diễn ra.
Liên quan trực tiếp đến đề tài nghiên cứu, trên thế giới có một số nghiên cứu trong
thời gian gần đây, điển hình như:
1. Phát triển các mô hình thuỷ văn – kinh tế để giải các bài toán về sự phân bố
tối ưu các kiểu sử dụng nước cũng như định ra các mức phí thích hợp đối với
khai thác sử dụng nước và gây ô nhiễm nước[21];
2. Ứng dụng MIKE BASIN xây dựng chiến lước quản lý tài nguyên nước lưu
vực sông[17];
3. Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 NAM đánh giá mưa – dòng chảy lưu
vực sông Layang;
4. Các nguồn tài nguyên nước và ô nhiễm của sông Kok lưu vực ở miền bắc
Thái Lan và Myanmar đã được phân tích bằng cách sử dụng MIKE BASIN và
LOAD.
2.2 Trong nước
Ở Việt Nam, vấn đề ứng dụng mô hình toán trong quản lý tổng hợp lưu vực sông
nói chung và quản lý tài nguyên nước nói riêng đã được nhiều tổ chức, nhiều cá
nhân quan tâm nghiên cứu từ những năm 60, qua việc uỷ ban sông Mekong ứng
dụng các mô hình như SSARR[23] (Rokwood D.M Vol 1- 1968) và mô hình toán
triều của Hà Lan vào tính toán, dự báo dòng chảy sông Mekong. Song, chỉ sau
ngày miền nam giải phóng (1975), đất nước thống nhất thì phương pháp này mới
ngày càng thực sự trở thanh công cụ quan trọng trong tính toán, dự báo thuỷ văn ở
nước ta.
Liên quan trực tiếp đến đề tài nghiên cứu, trong nước có một số nghiên cứu trong
thời gian gần đây, điển hình như:
1. Đề tài cấp nhà nước KHCN.07.17 “Xây dựng một số cơ sở khoa học phục vụ
cho việc quản lý thống nhất và tổng hợp môi trường nước lưu vực sông Đồng
Nai”[8] do viện môi trường và tài nguyên chủ trì thực hiện giai đoạn 1999-
2000.
2. Đề tài nghiên cứu thể nghiệm “Đánh giá tài nguyên nước mặt lưu vực sông
Lá Buông”[3] do viện Quy hoạch thuỷ lợi Nam bộ thực hiện từ tháng 3 năm
2006. Đề tài đã nghiên cứu một số vấn đề chính như sau:
· Sử dụng các công cụ nghiên cứu cần thiết (mô hình toán như mô hình
mưa dòng chảy NAM, mô hình toán cân bằng nước MIKE BASIN, mô
hình chất lượng nước MIKE BASIN – WQ, mô hình thuỷ lực MIKE 11,
mô hình lũ MIKE FLOOD) mô phỏng, phân tích, đánh giá tài nguyên
nước mặt trên lưu vực;
· Dự báo nhu cầu sử dụng nước lưu vực theo các phương án phát triển;
· Xây dựng các giải pháp và phương án khai thác nguồn nước lưu vực;
· Xây dựng và đề xuất các giải pháp bảo vệ tài nguyên nước lưu vực.
3. Đề tài cấp Nhà nước KC.08.04 “Nghiên cứu xây dựng mô hình quản lý tổng
hợp tài nguyên và môi trường lưu vực sông Đà”[9] do Viện Khoa học Thủy lợi
chủ trì và TS. Nguyễn Quang Trung làm chủ nhiệm đề tài, thực hiện từ
10/2001 đến tháng 9/2004. Đề tài này đã xây dựng được bộ hồ sơ lưu vực
sông Đà, xây dựng phương pháp luận và đề xuất 2 mô hình quản lý tổng hợp
lưu vực sông Đà: Mở rộng mô hình quản lý quy hoạch lưu vực sông Hồng
(mô hình pháp lý) và Mô hình quản lý tổng hợp tài nguyên và môi trường lưu
vực sông Đà.
4. Đề tài cấp Nhà nước KC.08.05 “Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học và đề
xuất các giải pháp bảo vệ và sử dụng hợp lý tài nguyên nước vùng Tây
Nguyên”[2] do Trường Đại học Mỏ - Địa chất chủ trì và PGS.TS. Đoàn Văn
Cánh làm chủ nhiệm đề tài, thực hiện từ 10/2001 đến tháng 9/2004. Những
kết quả chính của đề tài là đánh giá tiềm năng nước ở Tây Nguyên và đề xuất
các giải pháp khai thác hợp lý các nguồn nước để chống hạn như giải pháp
xây dựng các hồ chứa, giải pháp tăng cường trữ lượng tĩnh (bể chứa nước
ngầm nhân tạo).
5. Đề tài cấp nhà nước KC.08.18/06-10 “Quản lý tổng hợp lưu vực và sử dụng
hợp lý tài nguyên nước hệ thống sông Đồng Nai”[4] do PGS.TS. Đỗ Tiến
Lanh - Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam chủ trì triển khai thực hiện (2007 -
2010). Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng được cơ chế phù hợp nhằm chia
sẻ nguồn nước, giải quyết xung đột về sử dụng nguồn nước, vận hành hệ
thống hồ chứa tại lưu vực và đề xuất được các giải pháp khả thi nhằm sử dụng
hợp lý và kiểm soát ô nhiễm tài nguyên nước lưu vực sông Đồng Nai.
2.3 Thảo luận về mô hình toán trong nghiên cứu tài nguyên nước
Các mô hình toán thuỷ văn ngày càng tỏ ra có nhiều ứng dụng hiệu quả trong các
lĩnh vực sản xuất và đời sống cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ
máy tính và phương pháp tính, các mô hình ngày càng được hoàn thiện hơn và nâng
cao độ chính xác, giải quyết hiệu quả các bài toán tính toán, dự báo, quy hoạch và
quản lý tài nguyên nước. Có thể phân làm hai lĩnh vực ứng dụng chính đó là ứng
dụng trong dự báo tính toán thuỷ văn và trong tính toán thuỷ lợi.
Mô hình toán được ứng dụng để giải quyết có hiệu quả các bài toán của thực tế. Có
mấy nội dung chính như sau:
2.3.1 Về quy hoạch hệ thống nguồn nước
Các mô hình cho phép mô phỏng hệ thống lưu vực với các phương án khác nhau, và
từ đó rút ra các kết luận về số các công trình cần xây dựng, vị trí công trình cũng
như quy mô kích thước của nó trong hệ thống. Hiệu quả mô hình được cân nhắc
trên tác động tổng hợp của các nhân tố trên lưu vực. Mô hình toán cho phép xét đến
tác động tổng hợp này, đồng thời nó cung cấp đầu vào cho các bài toán quy hoạch
đáng tin cậy.
2.3.2 Về điều hành hệ thống
Các công trình hoạt động trên lưu vực có liên hệ với nhau, vì vậy điều hành hệ
thống nguồn nước là một bài toán tổng hợp phức tạp. Mô hình toán cho phép xem
xét đến các giải pháp cụ thể bằng cách phân tích chi tiết các khả năng nước đến, yêu
cầu nước dùng, lợi ích kinh tế xã hội và khả năng đảm bảo của công trình. Mô hình
toán cũng đảm bảo dự báo khả năng nước đến, một đầu vào đặc biệt quan trọng để
có thể điều chỉnh biểu đồ điều phối, nâng cao hiệu quả hoạt động của công trình.
Mô hình toán tất định cũng như ngẫu nhiên làm tăng độ chính xác dự báo phục vụ
vận hành các công trình thuỷ lợi. Nếu thực hiện việc nối mạng, thu thập và truy cập
thông tin nhanh chóng thì hiệu quả điều hành hệ thống càng được nâng cao.
2.3.3 Về quản lý lưu vực
Mô hình toán cho phép tính toán các nguồn nước của các lưu vực trong các điều
kiện khai thác khác nhau, cũng như khi tác động của con người lên cảnh quan của
lưu vực. Về mặt này mô hình toán có thể thay thế cho mô hình vật lý, thay thế cho
các bãi dòng chảy thực nghiệm tốn kém, làm sáng tỏ vai trò của các nhân tố địa vật
lý đến dòng chảy cũng như ảnh hưởng của dòng chảy đến các đặc trưng của lưu
vực. Từ các điều kiện khai thác của lưu vực, mô hình toán giúp cho việc dự báo tính
toán các quá trình xói trên lưu vực, khả năng bồi lấp hồ chứa. Từ đó xây dựng các
phương án phòng chống có hiệu quả, bảo vệ lưu vực và tăng tuổi thọ công trình.
Trên cơ sở phân tính bằng mô hình toán, đề xuất các biện pháp xây dựng công trình
đảm bảo khai thác lưu vực hợp lý và bền vững.
Một lưu vực không chỉ nằm trong một nước mà thường bao gồm nhiều quốc gia.
Việc khai thác sử dụng của một nước phụ thuộc rất nhiều vào chủ quan của con
người và các hoạt động của các quốc gia trên cùng lưu vực. mô hình toán giúp ta
tìm được lời giải tổng hợp cho việc lợi dụng nguồn nước chung, cũng như ảnh
hưởng của từng hoạt động của từng quốc gia đến lưu vực. Từ đó có sự hợp tác liên
quốc gia lâu dài, có giải pháp phối hợp chung để khai thác lưu vực có lợi nhất,
không làm ảnh hưởng lẫn nhau.
Các mô hình toán còn là một công cụ rất thuận tiện để nghiên cứu thuỷ văn, nhất là
đánh giá các nhân tố ảnh hưởng đến dòng chảy không thua kém gì các mô hình vật
lý. Các lời giải từ mô hình có thể định hướng cho những công trình nghiên cứu có
giá trị thực tế[7].
Tuy nhiên, như đã trình bày ở trên, mô hình toán không phải lúc nào hay mô hình
nào cũng thích hợp cho bất cứ vùng nào. Hay nói đúng hơn không có mô hình nào
mang tính chất toàn cầu. Như vậy, việc nghiên cứu thuỷ văn ứng dụng đầy đủ về
lưu vực Thác Mơ để phát huy hiệu quả việc xây dựng công trình, tận dụng tối đa
nguồn nước là việc làm cấp bách hiện nay.
2.4 Đánh giá nhận xét
Nhìn chung, những công trình nghiên cứu trong và ngoài nước đã đạt được nhiều
kết quả to lớn cả về cơ sở khoa học và ứng dụng thực tiễn. Phương pháp mô hình
toán được xem như là một công cụ quan trọng trong các nghiên cứu, đánh giá, quản
lý, phân bố và phát triển nguồn nước. Tuy nhiên, ở Việt Nam việc ứng dụng mô
hình toán trong nghiên cứu thuỷ văn còn nhiều hạn chế do thiếu về kinh phí, tài liệu
đầu vào cho mô hình thường không liên tục, đủ dài và đồng nhất Do vậy, việc
ứng dụng mô hình toán thuỷ văn đối với điều kiện thực tế của Việt Nam cần được
mở rộng nghiên cứu ở các vùng địa lý khác nhau, để cung cấp công cụ trợ giúp cho
các nhà quản lý, người làm công tác quy hoạch, xây dựng phương án, kế hoạch
quản lý và sử dụng tài nguyên dễ dàng và hiệu quả hơn.
3. Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu
3.1 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng mô hình thuỷ văn thích hợp cho lưu vực Thác Mơ, nơi mà tài Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường
Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước
lưu vực Thác Mơ”
nhau từ đó mô phỏng dòng chảy và đánh giá tiềm năng nguồn nước phục vụ cho
phát triển bền vững kinh tế xã hội vùng hưởng lợi.
3.2 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
- Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong lưu vực Thác Mơ có toạ độ 11035’ –
12017’ vỹ độ Bắc và 107000’ – 107030’ kinh độ Đông, diện tích tự nhiên
2,215 km2 (hình 1).
Hình 1 Phạm vi không gian vùng nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu cấu trúc, đặc điểm, chế độ thuỷ văn, tài
nguyên nước lưu vực Thác Mơ. Tiến hành nghiên cứu ứng dụng mô hình toán
thích hợp cho lưu vực Thác Mơ.
3.3 Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về điều kiện tự nhiên và KT – XH vùng nghiên cứu;
- Tổng hợp, phân tích tài liệu liên quan như: địa hình, địa chất, thảm thực vật,
- Nghiên cứu các mô hình toán thuỷ văn; đi sâu phân tích các mô hình đã ứng
dụng nhiều và có hiệu quả trên thế giới và Việt Nam;
- Ứng dụng mô hình NAM và FRASC cho lưu vực Thác Mơ, từ đó đề xuất mô
hình thích hợp trong các điều kiện khác nhau;
- Mô phỏng dòng chảy bằng mô hình thích hợp và đánh giá tiềm năng nguồn
nước lưu vực Thác Mơ theo các tần suất thiết kế khác nhau (P = 5% - năm
nhiều nước, P = 50% - năm nước trung bình và P = 90% - năm ít nước).
3.4 Phương pháp nghiên cứu
- Điều tra khảo sát thực địa, thu thập thông tin hiện trường;
- Phân tích thống kê: tổng hợp, phân tích tài liệu sẵn có và sử dụng xác suất
thống kê để đánh giá và dự báo các hiện tượng cũng như các biến cố liên
quan đến đối tượng nghiên cứu;
- Mô hình toán thuỷ văn: thu thập thông tin, phần mềm mô hình, thiết lập mô
hình cho khu vực nghiên cứu và mô phỏng tài nguyên nước lưu vực và đánh
giá hiệu quả mô hình;
- Phương pháp GIS (ArcView GIS, ArcGIS): biên tập bản đồ, tích hợp dữ liệu
không gian, dữ liệu thuộc tính và cung cấp dữ liệu đầu vào cho mô hình toán,
trình diễn kết quả chạy mô hình và kết quả nghiên cứu.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
4.1 Ý nghĩa khoa học
Luận văn ứng dụng kết hợp các công cụ mô hình toán (FRASC, NAM) với công
nghệ GIS trong quản lý, để đưa ra được mô hình thích hợp để tính toán tài nguyên
nước trên lưu vực Thác Mơ từ đó cung cấp thông tin cho các nhà quản lý, người
làm công tác quy hoạch cũng như các hộ dùng nước xây dựng phương án, kế hoạch
quản lý và sử dụng tài nguyên nước một cách dễ dàng và hiệu quả hơn. Ngoài ra,
phát triển và hoàn thiện mô hình toán, là công cụ hữu hiệu cho công tác nghiên cứu
khoa học ngành nước và môi trường.
10
Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường
Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước
lưu vực Thác Mơ”
4.2 Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả so sánh hai mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên
nước lưu vực Thác Mơ và phương pháp phân tích thống kê theo phân phối xác suất
chuẩn, quản lý dữ liệu bằng công nghệ GIS là tài liệu đáng tin cậy góp phần tích
cực vào hoàn thiện hệ thống công cụ hỗ trợ cho công tác quy hoạch, quản lý và sử
dụng hiệu quả tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ theo nhu cầu phát triển kinh tế - xã
hội, bảo vệ môi trường theo hướng phát triển bền vững.