luận văn TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC HỆ THỐNG LƯU VỰC SÔNG CẦU BẰNG MÔ HÌNH MIKE BASIN

luận văn TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC HỆ THỐNG LƯU VỰC SÔNG CẦU BẰNG MÔ HÌNH MIKE BASIN. Trong công tác quy hoạch và phát triển tài nguyên nước, việc tính toán cân bằng nước hệ thống hết...

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Phương Nhung TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC HỆ THỐNG LƯU VỰC SÔNG CẦU BẰNG MÔ HÌNH MIKE BASIN Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 60 44 90 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN THANH SƠN Hà Nội – 2011 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH 4 DANH MỤC BẢNG……………………………………………………………… 5 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT……………………………………………………7 MỞ ĐẦU 8 Chương 1. ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ XÃ HỘI LƯU VỰC SÔNG CẦU 10 1.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên 10 1.1.1. Vị trí địa lý 10 1.1.2. Địa hình 10 1.1.3. Địa chất 12 1.1.4. Thổ nhưỡng 13 1.1.5. Thả m phủ thực vật 13 1.1.6. Đặc điểm khí hậu 14 1.1.7. Đặc điểm thủy văn 17 1.2. Đặc điểm kinh tế - xã hội 22 1.2.1. Dân số 22 1.2.2. Hiện trạng kinh tế - xã hội 23 Chương 2. TỔNG QUAN CÂN BẰNG NƯỚC HỆ THỐNG 30 2.1. Khái niệm về hệ thống nguồn nước và cân bằng nước hệ thống 30 2.1.1. Hệ thố ng nguồn nước 30 2.1.1. Khái niệm cân bằng nước hệ thống 31 2.2. Giới thiệu một số mô hình tính toán cân bằng nước 31 1 2.2.1. Hệ thống mô hình GIBSI 31 2.2.2. Chương trình Sử dụng nước (Water Ultilization Project) 32 2.2.3. Mô hình BASINS 33 2.2.4. Mô hình hệ thống đánh giá và phát triển nguồn nước WEAP 35 2.2.5. Bộ mô hình MIKE (DHI) 36 2.3. Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE BASIN 36 2.3.1. Giới thiệu chung 36 2.3.2. Giới thiệu về MIKE BASIN 37 2.3.3. Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE BASIN 38 2.3.4. Mô đun mưa-dòng chảy NAM 42 Chương 3. ÁP DỤNG MÔ HÌNH MIKE BASIN CÂN BẰNG NƯỚC HỆ THỐNG L ƯU VỰC SÔNG CẦU 50 3.1. Phân vùng tính cân bằng nước 50 3.2. Tính toán dòng chảy đến tại các tiểu khu 50 3.2.1. Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình 53 3.2.2. Ứng dụng mô hình khôi phục số liệu 53 3.3. Tính toán nhu cầu dùng nước tại các tiểu khu 56 3.3.1. Nhu cầu dùng nước cho nông nghiệp 56 3.3.2. Nhu cầu dùng nước cho sinh hoạt 57 3.3.3. Nhu cầu dùng nước cho chăn nuôi 58 3.3.4. Nhu cầu dùng nước cho công nghiệp 69 3.3.5. Nhu cầu dùng nước cho giao thông thủy và bảo vệ môi trườ ng 60 3.3.6. Nhu cầu dùng nước cho thương mại, dịch vụ và du lịch 61 2 3.3.7. Nhu cầu dùng nước cho các hoạt động đô thị 62 3.3.8. Nhu cầu dùng nước cho thủy sản 62 3.4. Cân bằng nước hệ thống lưu vực sông Cầu 65 3.4.1. Sơ đồ tính toán cân bằng nước 66 3.4.2. Tính toán hiện trạng cân bằng nước hệ thống lưu vực sông Cầu 66 3.4.3. Kết quả tính cân bằng nước hiện trạng 2007 70 3.4.4. Tính toán cân bằng nước hệ thống lưu vực sông Cầu theo quy hoạch n ăm 2015 77 3.4.5. Kết quả tính cân bằng nước cho phương án quy hoạch năm 2015 80 3.4.6. Những vấn đề tồn tại, định hướng và giải pháp 83 KẾT LUẬN 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 PHỤ LỤC .90 3 DANH MỤC HÌNH Hình 1. Sơ đồ lưu vực sông Cầu 11 Hình 2. Bản đồ lưới trạm khí tượng thủy văn lưu vực sông Cầu 24 Hình 3. Sơ đồ minh hoạ cấu trúc mô hình MIKE BASIN 40 Hình 4: Cấu trúc của mô hình NAM 45 Hình 5. Bản đồ phân vùng và phân khu cân bằng nước lưu vực sông Cầu 52 Hình 6. Kết quả hiệu chỉnh tại trạm Tân Cương 55 Hình 7. Kết quả kiểm nghiệm tại trạm Tân Cương 55 Hình 8. Biểu đồ phân bố cơ cấu dùng nước các hộ dùng nước trên lưu vực 65 Hình 9. Sơ đồ hóa lưu vực sông Cầu 67 Hình 10a, b. Kết quả kiểm định mô hình MIKE BASIN tại trạm Thác Bưởi 73 Hình 11a,b. Sơ đồ tính toán cân bằng nước lưu vực sông Cầu phương án hiện trạng:a) có công trình; b) không có công trình 78 Hình 12a,b. Bản đồ phân vùng thiếu nước lưu vực sông Cầu phương án cân bằng nước hiện trạng: a) không có công trình; b) có công trình 78 Hình 13. Sơ đồ tính toán cân bằng nước hệ thống sông Cầu bằng MIKE BASIN phương án quy hoạch 2015 82 Hình 14. Bản đồ phân vùng thiếu nước lưu vực sông Cầu 2015 82 4 DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Nhiệt độ không khí trung bình tháng, tối cao và tối thấp trong thời kỳ quan trắc tại các trạm trên lưu vực……………………………………… 15 Bảng 2. Độ ẩm tương đối của không khí trung bình nhiều năm ở một số vùng15 Bảng 3. Lượng mưa tháng trung bình nhiều năm (1960-1997)……………… 16 Bảng 4. Tổng lượng bốc hơi trung bình tháng và năm…………………………17 Bảng 5. Đặc trưng dòng chảy năm tại các trạm quan trắc trong lưu vực…… 19 Bảng 6. Lưu lượng lớn nhất trong các tháng mùa lũ lưu vực sông Cầu………20 Bảng 7. Lưu lượng nhỏ nhất trong các tháng mùa kiệt……………………… 21 Bảng 8. Tài liệu khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Cầu và các số liệu đã thu thập……………………………………………………………………………… 23 Bảng 9. Diện tích một số cây trồng chính trên lưu vực…………………………25 Bảng 10. Số lượng gia súc và gia cầm trên lưu vực…………………………… 25 Bảng 11. Tổng hợp diện tích nuôi trồng thủy sản theo các địa phương……….26 Bảng 12. Hiện trạng lâm nghiệp các tỉnh thuộc lưu vực sông Cầu năm 2006 29 Bảng 13. Đặc điểm của các vùng và khu tính cân bằng nước………………….51 Bảng 14. Các trạm mưa và trọng số mưa tính toán trong quá trình hiệu chỉnh và ki ểm nghiệm các bộ thông số………………………………………………….54 Bảng 15. Các bộ thông số và độ hữu hiệu của mô hình NAM……………… 54 Bảng 16. Kết quả tính toán lưu lượng trung bình tháng, năm 54 Bảng 17. Nhu cầu nước tưới tại các tiểu khu trên lưu vực sông Cầu………….56 Bảng 18. Định mức dùng nước sinh hoạt……………………………………… 57 Bảng 19. Nhu cầu nước sinh hoạt tại các tiểu khu trên lưu vực sông Cầu…….57 Bảng 20. Định mức dùng nước trong chăn nuôi……………………………… 58 Bảng 21. Nhu cầ u nước cho chăn nuôi trong các tiểu khu thuộc lưu vực sông Cầu…………………………………………………………………………………58 5 Bảng 22. Nhu cầu nước cho công nghiệp trong các tiểu khu thuộc lưu vực sông Cầu…………………………………………………………………………………59 Bảng 23. Nhu cầu nước cho giao thông thủy và bảo vệ môi trường trong các tiểu khu thuộc lưu vực sông Cầu…………………………………………………60 Bảng 24. Nhu cầu nước cho thương mại, dịch vụ và du lịch trong các tiểu khu thuộc lưu vực sông Cầu………………………………………………………… 61 Bảng 25. Nhu cầu nước cho các hoạt động đô thị trong các tiểu khu thuộc lưu vực sông C ầu………………………………………………………………………62 Bảng 26. Nhu cầu nước cho thủy sản trong các tiểu khu thuộc lưu vực sông Cầu…………………………………………………………………………………63 Bảng 27. Tổng hợp nhu cầu sử dụng nước tại tiểu vùng I1…………………….63 Bảng 28. Tổng hợp nước dùng tại các tiểu khu trên lưu vực sông Cầu…… 64 Bảng 29. Nhu cầu nước và cơ cấu nhu cầu nước của các hộ dùng nước chủ yếu trên lưu vực sông Cầu…………………………………………………………….65 Bả ng 30. Hiện trạng các công trình thủy lợi trên lưu vực sông Cầu 67 Bảng 31. Hiện trạng dùng nước các ngành kinh tế trên lưu vực sông Cầu năm 2007……………………………………………………………………………… 70 Bảng 32. Cán cân giữa lượng nước đến và lượng nước dùng tại các tiểu vùng.72 Bảng 33. Kết quả tính toán cân bằng nước tiểu khu I1……………………… 73 Bảng 34. Kết quả tính toán cân bằng nước năm 2007 trên lưu vực sông Cầu 74 Bảng 35. Tổng hợp kết quả tính toán……………………………………………75 B ảng 36. Kết quả tính toán cân bằng nước năm 2007 trên lưu vực sông Cầu 76 Bảng 37. Tổng hợp kết quả tính toán……………………………………………76 Bảng 38. Tổng hợp các thông số cơ bản của hồ chứa Văn Lăng………………79 Bảng 39. Kết quả tính toán cân bằng nước năm 2015 trên lưu vực sông Cầu 80 Bảng 40. Tổng hợp kết quả tính toán cân bằng nước năm 2015………………81 6 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT CROPWAT Mô hình tính nhu cầu tưới của cây trồng theo chỉ tiêu sinh thái GIBSI Bộ mô hình tổng hợp của Canada (Gestion Intégrée des Bassins versants à l’aide d’un Système Informatisé) IQQM Mô hình mô phỏng nguồn nước ISIS Mô hình thủy động lực học (Interactive Spectral Interpretation System) 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-Afstromnings- Model) QUAL2E Mô hình chất lượng nước (Water Quality version 2E) SSARR Mô hình hệ thống diễn toán dòng chảy của Mỹ (Streamflow Synthesis and Reservoir Regulation) SWAT Mô hình mô phỏng dòng chảy mặt qua độ ẩm đất (Soil and Water Assessment Tool) TANK Mô hình bể chứa của Nhật bản WUP Chương trình sử dụng nước WEAP Mô hình hệ thống đánh giá và phát triển nguồn nước (Water Evaluation and Planning System) TM, DV, DL Thương mại, dịch vụ, du lịch GTT, BVMT Giao thông thủy, bảo vệ môi trường 7 MỞ ĐẦU Trong công tác quy hoạch và phát triển tài nguyên nước, việc tính toán cân bằng nước hệ thống hết sức quan trọng. Kết quả tính cân bằng nước hệ thống là cơ sở để đề ra các phương án quy hoạch, sử dụng và phát triển hợp lý tài nguyên nước cũng như lựa chọn phương án và trình tự thực hiện phương án quy hoạch qua các giai đoạn. Lưu vực sông Cầu là một lưu vực quan trọng ở miền bắc Việt Nam, với diện tích lưu vực hơn 6030 km 2 , trải trên địa phận của 5 tỉnh: Bắc Cạn, Thái Nguyên, Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Bắc Giang và thành phố Hà Nội, là nguồn cung cấp nước sinh hoạt cũng như mọi hoạt động kinh tế xã hội của 5 tỉnh và thủ đô cả nước. Rất nhiều kế hoạch phát triển về kinh tế xã hội quan trọng đang được dự định tiến hành cho khu vực này. Tuy vậy, việc sử dụng tài nguyên n ước trên lưu vực sông Cầu vẫn còn tồn tại những vấn đề sau: - Phương thức khai thác, sử dụng và quản lý tài nguyên nước chưa hiệu quả, thiếu đồng bộ. Việc phân bổ tài nguyên nước chưa hợp lý, chưa đáp ứng được nhu cầu của các hộ dùng nước. - Mâu thuẫn giữa nhu cầu dùng nước và lượng nước đến. Nhu cầu dùng nước ngày một tăng lên trong khi lượng nướ c đến không tăng mà còn có xu hướng suy giảm về chất và lượng do sự khai thác không đi cùng với việc bảo vệ và phát triển bền vững tài nguyên nước. - Tài nguyên đất đang được khai thác và sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như phát triển công nghiệp, dịch vụ, thủy sản, chuyển đổi giống cây trồng và vật nuôi cũng gây tác động rất lớn đến nguồn nước. Chính vì vậy, luận văn v ới đề tài “Tính toán cân bằng nước hệ thống lưu vực sông Cầu bằng mô hình MIKE BASIN” đã được thực hiện để giải quyết bài toán cân bằng nước hệ thống cho lưu vực sông Cầu nhằm đáp ứng yêu cầu cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn của công tác quy hoạch tổng hợp, khai thác sử dụng và phát triển tài nguyên nước một cách hợp lý và bền vững, đảm bảo cho các kế hoạ ch phát triển kinh tế xã hội của lưu vực. 8 Luận văn được bố cục thành 3 chương, cùng với phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục: Chương 1. Điều kiện địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội lưu vực sông Cầu Chương 2. Tổng quan cân bằng nước hệ thống Chương 3. Áp dụng mô hình MIKE BASIN cân bằng nước hệ thống lưu vực sông Cầu Luận văn được hoàn thành tại Khoa Khí tượng - Th ủy văn và Hải dương học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Thanh Sơn. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất tới thầy, người đã luôn động viên và tạo điều kiện, tận tình chỉ dẫn và góp ý để tác giả hoàn thành luận văn này. Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả xin bày tỏ sự cảm ơn đến các thầy cô trong Bộ môn Thủy văn, các thầy cô giáo, đồng nghiệp trong khoa về sự hỗ trợ chuyên môn và kỹ thuật, cũng như sự giúp đỡ về thời gian, điều kiện nghiên cứu thuận lợi. 9 [...]... niệm cân bằng nước hệ thống Cân bằng nước 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 (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. .. 2 TỔNG QUAN CÂN BẰNG NƯỚC HỆ THỐNG 2.1 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG NGUỒN NƯỚC VÀ CÂN BẰNG NƯỚC HỆ THỐNG 2.1.1 Hệ thống nguồn nước Quá trình khai thác nguồn nước đã hình thành hệ thống các công trình thuỷ lợi Những công trình thuỷ lợi được xây dựng đã làm thay đổi đáng kể những đặc điểm tự nhiên của hệ thống nguồn nước Mức độ khai thác nguồn nước càng lớn thì sự thay đổi thuộc tính tài nguyên nước càng lớn... 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 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 [9] 2.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CÂN... 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: [10] 2.2.1 Hệ thống mô hình GIBSI Hệ thống. .. nguyên môi trường Ba mô hình con trong bộ mô hình lưu vực bao gồm: - Mô hình thuỷ 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 vận hành - Mô hình mô phỏng nguồn nước lưu vực (IQQM), mô phỏng... 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... 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: Thuận tiện trong công tác kiểm soát thông tin môi trường; Hỗ trợ công tác phân tích hệ thống môi trường; Cung cấp hệ thống các phương án quản lý lưu vực; ... 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 vận hành - Mô hình thuỷ động lực học (ISIS) mô phỏng chế độ thuỷ văn, thuỷ lực vùng hồ Tonle Sap và hạ lưu Kratie, sông Mê Kông 2.2.3 Mô hình BASINS Mô hình BASINS được xây dựng bởi Văn phòng Bảo vệ Môi trường (Hoa Kỳ) Mô hình được xây... 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... triển và quản lý nguồn nước, và xem xét theo quan điểm cạnh tranh đa phương giữa các hộ dùng nước trong hệ thống Vận hành dựa trên tính toán cân bằng nước, WEAP có khả năng áp dụng cho các hệ thống nông nghiệp và đô thị, các lưu vực đơn hay hệ thống lưu vực sông Hơn nữa, WEAP có thể được sử dụng để đáp ứng nhiều mục tiêu khác nhau: phân tích nhu cầu của các ngành, bảo tồn nguồn nước, xác định thứ tự . bằng nước hệ thống lưu vực sông Cầu 66 3.4.3. Kết quả tính cân bằng nước hiện trạng 2007 70 3.4.4. Tính toán cân bằng nước hệ thống lưu vực sông Cầu theo. dùng nước cho thủy sản 62 3.4. Cân bằng nước hệ thống lưu vực sông Cầu 65 3.4.1. Sơ đồ tính toán cân bằng nước 66 3.4.2. Tính toán hiện trạng cân bằng nước