Ứng dụng mô hình stella để tính toán cân bằng nước cho vùng đê bao khép kín

94 TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC ÑOÀNG THAÙP Taïp chí Khoa hoïc soá 38 (06 2019) ỨNG DỤNG MÔ HÌNH STELLA ĐỂ TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC CHO VÙNG ĐÊ BAO KHÉP KÍN Nguyễn Văn Tuấn(*) Tóm tắt Nghiên cứu tập trung vào việ[.]

Tạp chí Khoa học số 38 (06-2019) TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP ỨNG DỤNG MƠ HÌNH STELLA ĐỂ TÍNH TỐN CÂN BẰNG NƯỚC CHO VÙNG ĐÊ BAO KHÉP KÍN y Nguyễn Văn Tuấn(*) Tóm tắt Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng phần mềm hệ thống động (STELLA) để xây dựng mơ hình cân nước cho khu vực nghiên cứu, dựa vào biến động nguồn nước cung cấp cho vùng nguồn nước tiêu thụ để làm sở tính tốn lượng nước tồn trữ cho vùng nghiên cứu theo điều kiện tự nhiên đặc điểm trồng thu thập thực tế khu vực nghiên cứu năm mưa (2011-2012), kiểm định (2014-2015) năm mưa nhiều (2013-2014), kiểm định (2015-2016) Kết nghiên cứu cho thấy lượng nước trữ vùng nghiên cứu bị thiếu hụt nghiêm trọng, cụ thể vào năm mưa ít, lượng nước tồn trữ -207,6×1010 m3, năm mưa nhiều lượng nước tồn trữ -149,5×1010 m3 Kết nghiên cứu làm sở khoa học cho quan quản lý địa phương việc chọn giải pháp vận hành hệ thống thủy lợi mùa lũ Từ khóa: Cân nước, mơ hình STELLA, huyện Chợ Mới, Đê bao Đặt vấn đề “Việt Nam đánh giá quốc gia bị ảnh hưởng nghiêm trọng tác động biến đổi khí hậu (BĐKH) lên nhiều lĩnh vực khác đặc biệt ảnh hưởng nghiêm trọng đến nông nghiệp Đồng sông Cửu Long (ĐBSCL)” [6] Các yếu tố bất lợi BĐKH sản xuất nông nghiệp ĐBSCL hạn hán, lũ lụt gia tăng điều kiện cực đoan Khu vực nghiên cứu ba xã cù lao, thuộc huyện Chợ Mới, tỉnh An Giang, có hệ thống đê bao khép kín để phục vụ cho 80% diện tích đất nơng nghiệp canh tác xoài ba vụ theo quy hoạch Tỉnh, trạng vận hành hệ thống thủy lợi vùng nhiều bất cập, đặc biệt mùa lũ Cây xoài nhạy cảm với chế độ ngập nước sâu thời gian dài, vào mùa lũ, hệ thống cống thủy lợi đóng kín để kiểm sốt lũ Nguồn nước phục vụ cho canh tác nông nghiệp vùng chủ yếu dựa vào lượng nước mưa lượng nước tồn trữ hệ thống kênh, dẫn đến số vùng sâu nội đồng xa hệ thống kênh bị thiếu nước cho canh tác “Mơ hình hệ thống động STELLA xem công cụ hiệu quả, giúp tổng hợp yếu tố liên quan đặc biệt thay đổi hệ thống theo thời gian” [2] Mơ hình hệ thống ứng dụng nhiều lĩnh vực môi trường nhằm mô diễn biến thực tế tự nhiên đưa (*) Trường Đại học An Giang 94 dự báo cần thiết Đồng thời, STELLA giúp thiết lập mơ hình cân nước nơng nghiệp: Tính tốn lượng nước tồn trữ, lượng nước cung cấp, lượng nước tiêu thụ, lượng nước “Xây dựng mơ hình hệ thống sinh thái thể tác động qua lại phát triển tảo cá hồi, kết hợp hệ sinh thái kinh tế rừng ngập mặn phần mềm STELLA vịnh Chesapeake (Brazil)” [1] Một nghiên cứu khác “xây dựng mơ hình hệ thống biến động tài nguyên nước toàn cầu liên quan đến nông nghiệp, công nghiệp, dân số vấn đề liên quan khác” [7] Tuy nhiên, mơ hình Simonovic xây dựng để mô tả biến động nguồn nước cho toàn cầu chưa đủ phản ánh chi tiết cho lĩnh vực cụ thể mơ hình Trên tảng đó, Panigrahi thu hẹp nghiên cứu cho lĩnh vực nơng nghiệp việc “tối ưu hóa việc xây dựng hồ chứa nước cung cấp cho nông nghiệp miền Đông Ấn Độ” [5]; liên quan đến việc quản lý nguồn nước, Traore and Wang “xây dựng hệ thống hồ chứa nước mưa tự nhiên phục vụ cho sản xuất nông nghiệp vùng bán khô cằn Gaoua Fada N’Gourma châu Phi” [8] Một nghiên cứu khác nước “xây dựng mô hình hệ thống STELLA để thiết kế chu trình N khống hóa đất lượng thải thực vật để ước lượng N tối ưu cho cánh đồng chuyên biệt giúp tránh bón thừa thiếu N trình canh tác lúa Kiên Giang, nghiên cứu thực huyện Thạnh Phú, tỉnh Bến Tre, sử dụng mơ TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP hình STELLA để xây dựng mơ hình cân nước muối vùng rễ bắp, kết mơ hình mơ tốt giá trị trung bình nồng độ muối vùng rễ thời điểm khác nhau” [4] Một nghiên cứu khác “xây dựng mơ hình cân nước ruộng kênh nội đồng để để mô biến động nước tưới trình canh tác lúa so sánh hiệu kỹ thuật tưới khác huyện Ngã Năm, tỉnh sóc Trăng” [3] Phương pháp nghiên cứu 2.1 Khu vực nghiên cứu Xã Mỹ Hiệp, Bình Phước Xuân Tấn Mỹ xã cù lao thuộc huyện Chợ Mới, tỉnh An Giang có vị trí địa lý từ 10020’07’’ đến 10034’27’’vĩ độ Bắc, bồi lắng bao bọc nhánh sông Tiền, bị ảnh hưởng chế độ bán nhật triều, đầu tư hệ thống đê bao khép kín, để kiểm sốt lũ phục vụ cho sản xuất nông nghiệp, sinh hoạt chăn nuôi Chế độ vận hành hệ thống kiểm sốt lũ cịn nhiều, vào mùa khô hệ thống cống thủy lợi mở suốt cho nước chảy ra, chảy vào tự nhiên theo chế độ bán nhật triều, vào mùa lũ hệ thống cống thủy lợi đóng kín để ngăn lũ, phục vụ cho canh tác thâm canh ăn trái, nước sử dụng lấy từ nguồn nước tồn trữ hệ thống kênh rạch lượng mưa cung cấp cho vùng Hình Bản đồ hành tỉnh An Giang (A) vùng nghiên cứu (B) (Nguồn: (A) internet; (B) Google earth) 2.2 Số liệu đầu vào, điều kiện ban đầu giả định mô hình cân nước Các số liệu đầu vào: Lượng mưa, lượng nước bốc tham chiếu, mực nước tính theo giá trị trung bình tháng cung cấp từ trung tâm khí tượng, thủy văn tỉnh An Giang; Số liệu trồng, lịch canh tác thời vụ lấy từ Phịng Nơng nghiệp Phát triển nông thôn huyện Chợ Mới, năm 2017 khảo sát thực địa; Số liệu kênh rạch lấy từ báo cáo dự án Nam Vàm Nao năm 2017 Tạp chí Khoa học số 38 (06-2019) Giả định: Bề mặt đất mặt phẳng; loại đất vùng nghiên cứu đất phù sa chua khơng bồi lắng hàng năm 2.3 Xây dựng mơ hình cân nước cho vùng nghiên cứu Mơ hình cân xây dựng để mô biến động nguồn nước theo điều kiện thực tế vùng nghiên cứu Biến động nguồn nước đầu vào mơ hình cân biến động lượng mưa cung cấp cho vùng theo thời gian (tháng) lượng nước thải từ q trình sinh hoạt chăn ni, xác định (CT1) f'(x1 ) = R1+ Q1; với R1= RxSk + Rc xSt ; với Q1 tổng lượng nước thải sinh hoạt với nước thải chăn nuôi; nước thải sinh hoạt tính tốn theo Nghị Định 154/2016/NĐ-CP nước thải chăn ni tính tốn theo TCVN 9121:2012; với Rc = R - Re; Theo FAO, 2001 Re tính tốn sau: Re = 0,8R R > 75 mm/tháng Re = 0,6R R < 75R mm/tháng; Tất lượng mưa (mm) quy đổi m3 sau: L/s.ha = 8,64 mm/ngày = 86,4 m3/ngày.ha Trong đó: R1 lượng mưa cung cấp cho vùng nghiên cứu (m3/tháng); Q1 lượng nước thải cung cấp cho vùng nghiên cứu (m3/tháng); R mưa thực đo (mm); Sk diện tích kênh rạch (m2); Rc lượng mưa chảy tràn (mm); Re lượng mưa hữu hiệu (mm); St diện tích vùng nhận nước mưa chảy tràn (m2) Biến động nguồn nước đầu mơ hình cân (lượng nước đi) biến động lượng nước bốc hơi, nhu cầu tưới nước cho trồng lượng nước cần thiết cho hoạt động chăn nuôi, xác định bằng: f(x2) = Q2 + Qbh + Qcn; với Q2 = ET - Re; với ET = kcETo; với ETo = p(0,48T + 8); với Qbh = ETo x A; Qcn = Q1 Trong đó: Q lượng nước tưới cho trồng vùng nghiên cứu (m3/tháng); ET (crop evapotranspiration) lượng bốc thoát hơi; Kc (crop coefficient) hệ số trồng; ETo (reference evapotranspiration) lượng nước bốc tham chiếu; Hệ số Kc thay đổi theo loại trồng, thời vụ canh tác giai đoạn sinh trưởng trồng Sự thay đổi Kc biểu đường cong Kc theo giai đoạn sinh trưởng trồng, 95 TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP Kc tính tốn lấy theo FAO, 2001; T nhiệt độ trung bình (oC); P tỉ lệ phần trăm số chiếu sáng trung bình năm ngày tháng chu kì tới Giá trị p phụ thuộc vào vĩ độ địa lý nơi xem xét thời gian tính tốn cho thời vụ trồng; A tổng diện tích kênh chứa nước (m2); Qbh lượng nước bốc kênh vùng nghiên cứu (m3/tháng); Qcn lượng nước cho nhu cầu chăn nuôi vùng (m3/tháng) Biến động nguồn nước mơ hình cân cịn phụ thuộc vào lượng nước trữ hệ thống kênh sau vận hành hệ thống cống để chống lũ, xác định (CT10) f(x0) = Q0; với Q0 = Qk1 + Qk2 + Qk3; với Q0 tổng lượng nước trữ ban đầu hệ thống kênh (m3); Qk1 lượng nước trữ kênh cấp (m3); Qk2 lượng nước trữ kênh cấp (m3); Qk3 lượng nước trữ kênh cấp (m3) Ta có mơ hình cân nước f(x) = f(x0) + f(x1) - f(x2) = Q0+ R1+ Q1 - Q2 - Qbh - Qcn 2.4 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình 2.4.1 Hiệu chỉnh mơ hình Khảo sát lượng nước tưới thực tế vùng nghiên cứu chọn làm sở để hiệu chỉnh kiểm định mơ hình số liệu điều tra thực tế điều kiện tự nhiên sẵn có Từ nghiên cứu hiệu chỉnh hệ số trồng (Kc) cho phù hợp với vùng nghiên cứu Vì hệ số trồng định nhu cầu nước trồng, lượng nước tưới cho trồng hiệu số nhu cầu nước trồng với lượng mưa hữu hiệu Lượng tưới nước mô sau hiệu chỉnh gần với lượng tưới nước thực tế giới hạn sai lệch cho phép qua giai đoạn canh tác trồng Phương pháp hiệu chỉnh tiến hành theo số liệu mưa (mưa năm mưa năm nhiều) Các bước thực bao gồm: Bước 1: Dựa vào kết khảo sát lượng nước tưới thực tế (tính theo lượng mưa năm 2017) để hiệu chỉnh hệ số Kc theo năm mưa (tổng lượng mưa năm nhỏ 1.000 mm) để lượng tưới nước mô phù hợp với lượng tưới nước thực tế mưa Bước 2: Dựa vào lượng mưa năm 2010 để hiệu chỉnh hệ số Kc theo năm mưa nhiều (tổng lượng mưa năm từ 1.000 mm trở lên) để lượng 96 Tạp chí Khoa học số 38 (06-2019) tưới nước mô phù hợp với lượng tưới nước thực tế mưa nhiều Bước 3: Hiệu chỉnh lại bước bước đến kết mô lượng tưới nước mơ mơ hình tương đương với lượng tưới nước thực tế giai đoạn canh tác trồng Trong nghiên cứu này, khoảng sai lệch lượng tưới nước mơ hình thực tế khoảng ±15% 2.4.2 Kiểm định mơ hình Các yếu tố biến mơ hình xây dựng theo liệu mưa năm mưa năm nhiều kiểm định số liệu mưa năm mưa năm nhiều khác dựa hệ số trồng (Kc) hiệu chỉnh, kết mô lượng tưới nước tương đương với lượng tưới nước thực tế khoảng sai lệch cho phép đánh giá mơ hình hoạt động tốt ngược lại Kết thảo luận 3.1 Mơ hình cân nước Hình Mơ hình cân nước khu vực nghiên cứu Những yếu tố liên quan có ảnh hưởng đến biến động nguồn nước vùng nghiên cứu tổng hợp xây dựng thành mơ hình hệ thống biến động theo thời gian Mơ hình thể chi tiết mối quan hệ yếu tố liên quan làm biến động nguồn nước vùng Trong mơ hình, biến giá trị thể chức riêng biệt có liên kết với tạo thành hệ thống vector (hay mũi tên liên kết) ảnh hưởng đến hoạt động Tạp chí Khoa học số 38 (06-2019) TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP tồn hệ thống Nhìn chung, mơ hình cân nước hệ thống hóa yếu tố tác động đến biến động nguồn nước vùng nghiên cứu Bên cạnh mơ hình đánh giá mức ảnh hưởng biến giá trị khác đến kết đầu hệ thống cho kết nhanh chóng, làm sở cho lựa chọn, giải pháp với nhiều yếu tố có mối quan hệ phức tạp với mà thực tế cần phải tốn nhiều thời gian chi phí làm thực nghiệm đánh giá 3.2 Hiệu chỉnh mơ hình Mơ hình sau hiệu chỉnh cho kết mô phù hợp với thực tế lượng nước tưới cho trồng qua giai đoạn canh tác Kết mô mơ hình lượng nước tưới ban đầu cịn chênh lệch so với lượng nước tưới thực tế chênh lệch vượt giới hạn cho phép (