7226-12

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN QUI HOẠCH THỦY LỢI ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KH&CN CẤP BỘ: “NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ ĐỂ PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG LƯU VỰC SÔNG HỒNG” Chủ nhiệm đề tài: TS. Tô Trung Nghĩa _________________________________________________ BÁO CÁO TỔNG KẾT CÁC CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU: TÍNH TOÁN, CHỈNH BIÊN SỐ LIỆU NHU CẦU SỬ DỤNG NƯỚC CHO CÁC LĨNH VỰC 7226-12 19/03/2009 HÀ NỘI - 2008 D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 12\9-CD-9.doc iBỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI -------------------- ĐỀ TÀI NCKH CẤP BỘ Nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng ED CHUYÊN ĐỀ CƠ SỞ THIẾT LẬP CÁC RÀNG BUỘC VỀ NHU CẦU SỬ DỤNG NƯỚC CƠ QUAN CHỦ TRÌ THỰC HIỆN Chủ nhiệm đề tài: TS. Tô Trung Nghĩa Chủ nhiệm chuyên đề: Người viết báo cáo: Nguyễn Văn Toàn Hà Nội, 2006 D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 12\9-CD-9.doc ii Mục lục 1 Khái quát chung .1 1.1 Khái quát chung về nguồn nước, sử dụng nguồn nước và các ràng buộc .1 1.2 Vị trí địa lý và giới hạn vùng nghiên cứu 2 1.3 Đặc điểm địa hình 2 1.4 Đặc điểm hệ thống sông ngòi 2 1.4.1 Hệ thống sông Hồng . 2 1.4.2 Hệ thống sông Thái Bình. 3 2 Nguồn nước, hệ thống sử dụng nước và chế độ vận hành hệ thống sử dụng nước 5 2.1 Nguồn nước sông Hồng . 5 2.2 Hệ thống sử dụng nước 5 2.3 Chế độ vận hành hệ thống sử dụng nước . 6 3 Mô phỏng ràng buộc nhu cầu sử dụng nước theo toán học. 7 3.1 Hệ thống mạng liên kết nguồn nước và sử dụng nước trên lưu vực sông . 7 3.2 Mô phỏng ràng buộc nhu cầu sử dụng nước theo toán học . 7 3.2.1 Cân bằng nước và chuyển nước ở các đoạn sông 7 3.2.2 Dòng chảy hồi quy từ các khu tưới 8 3.2.3 Dòng chảy hồi quy từ khu dùng nước sinh hoạt 9 3.2.4 Dòng chảy hồi quy từ khu dùng nước công nghiệp . 9 3.2.5 Cân bằng dung tích hồ chứa . 9 3.2.6 Các hàm phát điện 10 3.2.7 Hàm dung tích-mực nước hồ chứa . 10 3.2.8 Hàm dung tích - diện tích hồ chứa . 10 3.2.8.1 cho các trạm điện được vận hành bởi các hồ chứa thượng lưu. . 11 3.2.8.2 cho tất cả các hồ chứa khác . 11 3.2.9 Giới hạn bơm nước ngầm . 11 3.2.10 Tổng lượng cung cấp nước mặt cho một khu tưới . 11 3.2.11 Quan hệ lượng nước mặt cho tưới với các cây trồng . 12 3.2.12 Tổng lượng nước tưới sẵn có cho các cây trồng 12 3.2.13 Tổng lượng nước tưới sẵn có cho toàn bộ khu tưới (bao gồm cả mưa hiệu quả) . 12 3.2.14 Thấm giai đoạn (theo tháng) 13 3.2.15 Giảm sản lượng theo tháng . 13 3.2.16 Xác định giảm sản lượng tối đa 13 3.2.17 Tổng lượng nước cấp cho sinh hoạt theo yêu cầu 13 3.2.18 Tổng lượng nước cấp cho công nghiệp theo yêu cầu . 14 3.2.19 Dòng chảy nhỏ nhất 14 3.2.20 Ràng buộc về chất lượng nước: 14 3.3 Các ràng buộc về tài nguyên liên quan 14 3.3.1 Khống chế mực nước . 14 3.3.2 Khống chế mức xả tối đa từ các hồ chứa . 14 3.3.3 Khống chế tốc độ biến đổi dòng chẩy 15 3.3.4 Khống chế công xuất phát điện tối đa 15 D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 12\9-CD-9.doc iii4 Cách mô tả bằng GAMS 15 4.1 Khái quát chung về GAMS và ngôn ngữ GAMS 15 4.2 Khai báo các biến trong GAMS . 16 4.2.1 Các biến 16 4.2.1.1 Các biến trong hệ thống: . 16 4.2.1.2 Kết nối mạng trong hệ thống lưu vực sông . 16 4.2.1.3 Các mối quan hệ lợi nhuận/lợi ích đối với các tỉnh 16 4.2.1.4 Xác định giai đoạn tưới cho cây trồng 17 4.2.1.5 Cơ cấu cây trồng trong mỗi khu tưới 17 4.2.1.6 Các cây trồng được tưới bằng nước ngầm 17 4.2.1.7 Nhu cầu nước sinh hoạt đô thị/nông thôn . 17 4.2.2 Các tài liệu đầu vào 17 4.2.2.1 Nguồn tài liệu 17 4.2.2.2 Reservoir data . 17 4.2.2.3 Dữ liệu về trạm thuỷ điện . 17 4.2.2.4 Dòng chảy tối thiểu . 17 4.2.2.5 Các thông số chuyển nước 18 4.2.2.6 Tài liệu cây trồng 18 4.2.2.7 Tài liệu sử dụng nước sinh hoạt 18 4.2.2.8 Tài liệu sử dụng nước công nghiệp . 18 4.2.2.9 Tài liệu kinh tế 18 4.2.2.10 Các biến cơ bản . 19 4.2.2.11 Các biến trung gian . 20 4.2.2.12 Giới hạn biến . 21 5 Kết luận kiến nghị 22 6 Phụ lục . Error! Bookmark not defined. 6.1 Phụ lục A: Các đường đặc tính hồ chứa . Error! Bookmark not defined. 6.2 Phụ lục B: Các đường đặc tính trạm thủy điện Error! Bookmark not defined. 6.3 Phụ lục C: Môđun vận hành 3 hồ chứa trong môi trường GAMS .Error! Bookmark not defined. D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 12\9-CD-9.doc 11 Khái quát chung 1.1 Khái quát chung về nguồn nước, sử dụng nguồn nước và các ràng buộc Nước là tài nguyên quý giá, là tư liệu thiết yếu cho cuộc sống con người. Nước sạch là nhu cầu không thể thiếu cho sinh hoạt và bảo vệ sức khỏe. Nước cần cho sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và các ngành kinh tế khác. Nước còn cần cho phát triển thủy điện, du lịch giải trí và duy trì cảnh quan môi trường. Đặc điểm sử dụng nước của mỗi ngành không giống nhau, có ngành sử dụng quanh năm, có ngành sử dụng theo mùa. Có ngành sử dụng tiêu hao và có ngành sử dụng không tiêu hao nước. Giá trị kinh tế của nước mang lại cho mỗi ngành cũng khác nhau. Trong tự nhiên số lượng và chất lượng nước nước mặt và nước ngầm cũng biến đổi theo thời gian và không gian. Không phải bất kỳ lúc nào và ở đâu cũng có đủ lượng nước để đáp ứng tất cả các nhu cầu sử dụng nước. Bài toán đặt khi sử dụng nguồn nước trong lưu vực sông sao cho hiệu quả kinh tế lớn nhất đồng thời bảo đảm sự bền vững không làm suy thoái, cạn kiệt nguồn nước. Trong tính toán sử dụng tối ưu nguồn nước chương trình toán được sử dụng khá phổ biến và rộng rái là GAMS. Trong chương trình GAMS hàm mục tiêu (hàm lợi nhuận của các ngành dùng nước) được tối đa hoá trong khi đó vẫn phải đảm bảo các điều kiện ràng buộc về tài nguyên nước và các ràng buộc về tài nguyên có liên quan khác. Ràng buộc về tài nguyên nước bao gồm: • Cân bằng nước và chuyển nước ở các đoạn sông • Dòng chảy hồi quy từ các khu tưới • Dòng chảy hồi quy từ khu dùng nước sinh hoạt • Dòng chảy hồi quy từ khu dùng nước công nghiệp • Cân bằng dung tích hồ chứa • Các hàm phát điện • Hàm dung tích-mực nước hồ chứa • Hàm dung tích - diện tích hồ chứa • Giới hạn bơm nước ngầm • Tổng lượng cung cấp nước mặt cho một khu tưới • Tổng lượng nước tưới sẵn có cho các cây trồng • Quan hệ lượng nước mặt cho tưới với các cây trồng • Tổng lượng nước tưới sẵn có cho toàn bộ khu tưới (bao gồm cả mưa hiệu quả) • Thấm giai đoạn (theo tháng) • Giảm sản lượng theo tháng • Xác định giảm sản lượng tối đa • Tổng lượng nước cấp cho sinh hoạt theo yêu cầu • Tổng lượng nước cấp cho công nghiệp theo yêu cầu • Dòng chảy nhỏ nhất D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 12\9-CD-9.doc 2• Ràng buộc về chất lượng nước Các ràng buộc về tài nguyên có liên quan khác bao gồm: • Khống chế mực nước (độ sâu dòng chẩy) trên các đoạn sông đẻ bảo đảm giao thông thủy • Khống chế mức xả tối đa từ các hồ chứa (do hạn chế kết cấu công trình) • Khống chế tốc độ biến đổi dòng chẩy (mực nước sông) nhằm giảm nguy cơ gây xói lở bờ sông • Khống chế công xuất phát điện tối đa (giới hạn công xuất lắp máy của nhà máy thủy điện). 1.2 Vị trí địa lý và giới hạn vùng nghiên cứu Lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình là một lưu vực sông quốc tế nằm trên lãnh thổ của 3 quốc gia Việt Nam, Trung Quốc, Lào với tổng diện tích tự nhiên là: 169.000 km2. Lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình trên lãnh thổ Việt Nam có diện tích là 86.680 km2 (chiếm 51,3% diện tích lưu vực) Tây bao gồm đất đai của 26 tỉnh thành ở Việt Nam là Lai Châu, Điện Biên, Sơn La, Hoà Bình, Hà Giang, Tuyên Quang, Lào Cai, Yên Bái, Phú Thọ, Vĩnh Phúc, Thái Nguyên, Bắc Cạn, Bắc Ninh, Bắc Giang, Hải Dương, Hải Phòng, Hưng yên, Hà Nội, Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình và một phần đất đai của 3 tỉnh Quảng Ninh, Lạng Sơn, Cao Bằng (196 huyện) Dân số trong vùng nghiên cứu tính đến năm 2003 là 25.731.639 người. 1.3 Đặc điểm địa hình Địa thế lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình nói chung dốc nghiêng từ Tây Bắc xuống Đông Nam và từ Bắc xuống Nam và có thể chia làm bốn miền lớn: Miền Tây Bắc, Miền cao nguyên phía Bắc, miền núi thấp ở phần dưới lưu vực sông Hồng và phần trên của lưu vực sông Thái Bình và miền đồng bằng tam giác châu lưu vực sông Hồng và sông Thái Bình. 1.4 Đặc điểm hệ thống sông ngòi Lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình được tạo thành bởi 2 hệ thống sông tự nhiên là sông Hồng và sông Thái Bình. Hai sông này được liên kết với nhau bởi hai sông Đuống và sông Sông Luộc. Hàng năm sông Đuống và sông Luộc đã chuyển tải một lượng nước nước là 35.5 km3 từ sông Hồng sang sông Thái Bình. 1.4.1 Hệ thống sông Hồng Sông Hồng có 3 nhánh lớn là: sông Đà, sông Thao và sông Lô - Gâm, ba nhánh này gặp nhau tại Việt Trì và được gọi là sông Hồng. Khi chảy vào vùng đồng bằng nó có nhiều phân lưu ra cả hai phía bờ tả và bờ hữu; hiện tại bờ tả còn 3 phân lưu là sông Đuống, sông Luộc và sông Trà Lý, bờ hữu còn sông Đào Nam Định và sông Ninh Cơ. D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 12\9-CD-9.doc 3Sông Đà là nhánh sông cấp I lớn nhất của sông Hồng, có diện tích lưu vực 52900km2 trong đó diện tích thuộc lãng thổ Việt nam là là 26800 km2 . Sông có chiều dài là 1010km, trong đó chảy trong địa phận Việt Nam là 570km. Sông Thao phát nguồn từ vùng núi cao (hơn 1770m so với mặt biển) thuộc lãnh thổ Trung quốc. Sông Thao có diện tích lưu là 51800km2 và dài 902km (tính đến Việt Trì). Sông Lô bắt nguồn từ cao nguyên Vấn Quý của Trung Quốc chảy vào Việt Nam tại Thanh Thủy (Hà Giang) và nhập lưu với sông Hồng tại Việt Trì, sông dài 464km, trong đó ở Việt Nam dài 354km. Diện tích lưu vực tính đến Việt Trì của toàn bộ hệ thống sông Lô là 39040km2 trong đó diện tích của Việt Nam là:22600km2 chiếm 58% diện tích toàn lưu vực. Dòng chính sông Hồng từ ngã ba Việt Trì đến Hà Nội chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam. Từ Hà Nội đến cửa Ba Lạt (biển Đông) chảy theo hướng Đông Bắc - Tây Nam, sông dài 237 km. Có các phụ lưu là sông Đáy, sông Đuống, sông Luộc, sông Trà Lý, sông Đào Nam Định và sông Ninh Cơ. 1.4.2 Hệ thống sông Thái Bình. Hệ thống sông Thái Bình nằm hoàn toàn trên lãnh thổ Việt Nam và cũng được hình thành từ 3 nhánh sông lớn là sông Cầu, sông Thương và sông Lục Nam. Ba nhánh gặp nhau tại Phả Lại tạo thành dòng chính sông Thái Bình. Về hạ lưu sông có nhiều phân lưu thuộc bờ tả như: sông Kinh Thầy, sông Văn Úc và nhận nước từ sông Hồng chuyển sang qua 2 sông Đuống và sông Luộc. Dòng chính sông Thái Bình được tính từ ngã ba Chí Linh ra đến cửa biển sông dài 90km, sông rộng trung bình 350 ÷ 450m ít dốc bị bồi lắng nhiêu. Lòng sông so với trước kia bị thu hẹp nhỏ như đoạn Ngọc Điểm đến Quý Cao. Riêng đoạn Quý Cao nay đã bị lấp chỉ còn một lạch nhỏ. Sông Cầu là nhánh lớn nhất của sông Thái Bình. Bắt nguồn từ núi Vạn Om - Chợ Đồn tỉnh Bắc Cạn. Chiều dài sông tính đến Phả Lại là 288,5km diện tích lưu vực 6030km2. Sông Thương bắt nguồn từ dãy núi Na Pha Phước - Chi Lăng - Lạng Sơn. Sông dài 571 km có diện tích lưu vực 3650km2. Sông Lục Nam bắt nguồn từ huyện Đình Lập (Lạng Sơn) chảy theo hướng Đông Bắc - Tây Nam nhập lưu vào sông Thương tại Phương Nhơn (Lục Nam - Bắc Giang) cách cửa sông Thương 9,5km, diện tích lưu vực 3070 km2. . Ngoài việc nhận nguồn nước lớn từ 2 phân lưu của sông Hồng là sông Đuống và sông Luộc đổ vào, sông Thái Bình phân lưu ra các sông chảy ra biển là: - Sông Văn Úc và nhánh của sông Lạch Tray chúng chảy gần như song song với nhau và chảy ra biển tại 3 cửa Thái Bình, Văn Úc và Lạch Tray. - Sông Kinh Thầy: xuất phát từ Chí Linh đến biển dài 82km đoạn đầu lòng sông rộng khoảng 200 - 300m chảy uốn khúc quanh co gần cửa sông song mở rộng dần đến 400 - 600m. Sông Kinh Thầy dốc hơn sông Thái Bình độ sâu lòng sông khoảng từ -5 đến -9m. D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 12\9-CD-9.doc 4- Sông Kinh Môn: xuất phát từ ngã ba Cầu đến cao kênh (xã Tam đa)dài 43 km sông rộng trung bình 300m. Độ dốc lòng sông nhỏ, sông chảy quanh co, độ sâu đáy sông khoảng 6 ÷10m. Mạng lưới sông Hồng Thái bình được thể hiện ở bản đồ sau D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 12\9-CD-9.doc 52 Nguồn nước, hệ thống sử dụng nước và chế độ vận hành hệ thống sử dụng nước. 2.1 Nguồn nước sông Hồng Mưa bình quân năm trên lưu vực sông Hồng khoảng 1800mm, Tổng lượng dòng chảy năm trên toàn lưu vực đạt 135 tỷ m3. Dòng chảy năm đạt 118.2 tỉ m3/năm tại Sơn Tây. Lượng dòng chảy tại nước ngoài là 52,46 tỷ m3. Chiếm 38,9% dòng chảy toàn lưu vực. Tại Việt Nam 82,54 tỷ m3 chiếm 61,1% tổng lượng dòng chảy trên lưu vực Lượng dòng chảy sản sinh trên lãnh thổ nước ngoài là 6.371 m3/km2, tại Việt Nam là 9.254 m3/km2. - Sông Đà: W0 = 57,36 tỷ m3 chiếm 42,5% Wlv. - Sông Lô: W0 = 34,73 tỷ m3 chiếm 27,7% Wlv. - Sông Thao: W0 = 27,57 tỷ m3 chiếm 20,4% Wlv. - Thượng du sông Thái Bình W0 = 8,71 tỷ m3 chiếm 6,45% Wlv. - Sông Đáy W0 = 3,39 tỷ m3 chiếm 2,5% Wlv. - Vùng Đồng bằng sông Hồng W0 = 3,19 tỷ m3 chiếm 2,36% Wlv. Phân bổ tổng lượng dòng chảy năm trên lưu vực sông Hồng rất không đều trong năm. Tổng lượng dòng chảy mùa kiệt (7-9 tháng) chỉ chiếm từ 20-30% tổng lượng dòng chảy năm. Trong khi đó dòng chảy mùa mưa chiếm tới 70-80% dòng chẩy năm. Đặc trưng dòng chẩy năm sông Hồng được thể hiện ở bảng 2.1 Bảng 2.1. Đặc trưng dòng chảy năm lưu vực sông Hồng Sông Tính đến trạm Flv (km2) %FlvQo (m3/s)Mo (l/skm2)Xo (mm)Wo (106m3) Yo (mm)α Hồng Sơn Tây 143600 100 3742 26.06 1940 118008 822 0.424Đà Hoà Bình 51800 36.07 1766 34.1 1960 55692 1075 0.549Lô Ghềnh Gà 29600 20.61 753 25.44 2000 23747 802 0.401Thao Yên Bái 48000 33.43 810 16.88 2036 25544 532 0.261Thái Bình Phả Lại 12680 100 280 22.08 1657 8830 696 0.4202.2 Hệ thống sử dụng nước. Nguồn nước trên hệ thống sông Hồng được sử dụng cho much đích phát trển kinh tế xã hội. Các ngành sử dụng chính bao gồm: nước cho sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp (cả thủy điện), thủy sản, nước cho môi trường, giao thông thủy. Tuy mhiên nước được sử dụng nhiều nhất là cho nông nghiệp. Hiện tổng diện tích đất nông nghiệp trong vùng là: 357.262ha. Diện tích lúa màu: 291.680ha (3 vụ: 3.072ha, 2 vụ: 120.900ha, 1 vụ: 60.514ha). D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 12\9-CD-9.doc 6 Năm 1995 Năm 2000 Cây trồng Diện tích (ha) Năng suất (tạ/ha) Diện tích (ha) Năng suất (tạ/ha) Lúa xuân 138.067 35,42 152.979 45,46 Lúa mùa 35,42 35,13 187.586 40,40 Ngô 152.979 26,83 53.247 27,75 Khoai Lang 45,46 60,49 35.214 59,82 Sắn 171.034 84,87 9.778 86,55 Rau đậu 35,13 110.73 31.095 113.77 Cây ăn quả 187.586 355 31.788 284 Chè 40,40 25.206 10.797 63.476 Hệ thống công trình lấy nước trên lưu vực khá dày đặc gồm các hệ thống cống và trạm bơm lấy nước phục vụ các mục tiêu cấp nước nông nghiệp, công nghiệp, đô thị, sinh hoạt, duy trì môi trường. Hệ thống các trạm bơm bố trí trên các nhánh sông Thao trước nhập lưu hai sông Thao-Đà, trên sông Thái Bình, sông Đáy. Hệ thống cống lấy nước lớn ngoài cống Liên Mạc và Xuân Quan chủ yếu tập trung ở vùng hạ lưu ven biển. Theo chế độ thủy lực có thể phân các hộ dùng nước thành hai nhóm: Nhóm lấy nước bằng bơm (lấy chủ động và nằm chủ yếu ở trung du) và nhóm lấy nước bằng cống (lấy nước bị động vì phụ thuốc mực nước trước cống và chủ yếu ở vùng đồng bằng) Nhìn chung hệ thống công trình đã xây dựng từ lâu đã xuống cấp, nhiều hệ thống kênh mương nội đồng bị bồi lắng nên khả năng lấy nước phục vụ các yêu cầu sản xuất thường gặp khó khăn trong mùa khô. 2.3 Chế độ vận hành hệ thống sử dụng nước. Để giảm thời gian tính toán trong mô phỏng hệ thống các công trình lấy nước trên sông được nhóm thành các nhóm sử dụng nước. Việc nhóm các nhóm sử dụng nước được thực hiện theo nguyên tắc (i) tính chất lấy nước tưng tự về chế độ thủy lực và (ii) Khoảng cách giữa các hộ dùng nước thành phần trong nhóm là nhỏ so với khoảng cách giữa hai mặt cắt địa hình sông. Theo nguyên tác trên các hộ dùng nước được nhóm thành 162 hộ (162 nút) trong đó có 120 trạm bơm và 42 cống (có 39 cống ảnh hưởng triểu). Các hộ sử dụng nức theo yêu cầu cảu mình sẽ lấy nước từ ngồn nước sông Hồng. Các hộ lấy nước bằng bơm luôn chủ động lấy lượng nước mình mong muốn. Mức tố đa họ lấy là công suất lấy . TÍNH TOÁN, CHỈNH BIÊN SỐ LIỆU NHU CẦU SỬ DỤNG NƯỚC CHO CÁC LĨNH VỰC 7226-12 19/03/2009 HÀ NỘI - 2008 D:A-Tep KQNC- DOC7226Nhom 129-CD-9.doc