Nghiên cứu xác định dòng chảy tối thiểu nhằm quản lý bền vững tài nguyên nước vùng hạ du sông mã tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LƢƠNG NGỌC CHUNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH DÒNG CHẢY TỐI THIỂU NHẰM QUẢN LÝ BỀN VỮNG TÀI NGUYÊN NƢỚC VÙNG HẠ DU SÔNG MÃ Chuyên ngành: Kỹ thuật tài nguyên nƣớc Mã số : 9-58-02-12 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018 Cơng trình hồn thành Trƣờng đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Trần Viết Ổn 2: TS Lê Viết Sơn Phản biện 01: Phản biện 02: Phản biện 03: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Room 5- K1 trường Đại học Thủy lợi Vào lúc ngày tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Sơng Mã có vị trí đặc biệt quan trọng nước ta, với tài nguyên nước phong phú, góp phần quan trọng q trình phát triển kinh tế - xã hội lưu vực Thực tế nay, nguồn tài nguyên sông Mã khai thác, sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, hoạt động làm thay đổi chế độ dòng chảy tự nhiên mùa cạn tác động tiêu cực đến khai thác, sử dụng nước hệ sinh thái thủy sinh, đặc biệt vùng hạ du sông Mã Qua theo dõi trạm thủy văn cho thấy mực nước vào mùa cạn xuống thấp so với trung bình nhiều năm (từ 0,8÷1,4m) Sự thay đổi chế độ dịng chảy sơng Mã tác động bất lợi cách trực tiếp gián tiếp đến mơi trường nước, đặc tính sinh thái sơng Do đó, u cầu cân đối, hài hịa chế độ dịng chảy sơng nhằm đảm bảo chức phục vụ phát triển kinh tế - xã hội trì hệ sinh thái thủy sinh dịng sơng cần thiết Mặt khác, Điều Nghị định 120/2008/NĐ-CP nguyên tắc quản lý lưu vực sông nêu rõ: “Đối với sông cần phải điều hịa, phân bổ tài ngun nước, trì dịng chảy tối thiểu” Đến nay, chưa có nghiên cứu định lượng lượng nước cần thiết để hài hoà nhu cầu sử dụng nước hoạt động phát triển kinh tế - xã hội bảo vệ môi trường sinh thái vùng hạ du sông Mã Để góp phần hỗ trợ xây dựng chiến lược lâu dài quản lý bền vững tài nguyên nước hạ lưu sông Mã, cần thiết phải nghiên cứu đầy đủ, chuyên sâu sở khoa học, phương pháp xác định dòng chảy tối thiểu sở: (1) thỏa mãn nhu cầu nước tối thiểu đối tượng sử dụng nước (2) đáp ứng nhu cầu nước để trì dịng chảy mơi trường nhằm đảm bảo trì hệ sinh thái thủy sinh lưu vực sông Với vấn đề trên, Luận án “Nghiên cứu xác định dòng chảy tối thiểu nhằm quản lý bền vững tài nguyên nước vùng hạ du sông Mã” cần thiết cấp bách cho việc khai thác sử dụng hợp lý quản lý bền vững tài nguyên nước hạ lưu sông Mã Mục tiêu nội dung nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Luận án bao gồm: - Nghiên cứu, xây dựng sở khoa học để xác định dòng chảy tối thiểu cần trì hạ du sơng Mã đáp ứng yêu cầu nước tối thiểu đối tượng sử dụng nước trì hệ sinh thái thủy sinh vùng hạ du sông Mã - Nghiên cứu, đề xuất giải pháp trì dịng chảy tối thiểu đảm bảo phát triển bền vững tài nguyên nước vùng hạ du sông Mã Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu: Dòng chảy yêu cầu tối thiểu mùa cạn (từ tháng đến tháng 5), vùng hạ du dịng sơng Mã 3.2 Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực sông Mã, (1) tập trung vào vùng hạ du dịng sơng Mã từ Cẩm Thủy đến cửa sông, (2) vào mùa cạn, (3) Luận án tập trung nghiên cứu yêu cầu dòng chảy tối thiểu đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội (dân sinh, công nghiệp, nông nghiệp, giao thơng thủy) đảm bảo trì hệ sinh thái thủy sinh Trong đó, điều kiện chất lượng nước sông Mã đáp ứng yêu cầu mục đích sử dụng nước Vì vậy, nghiên cứu này, chất lượng nước xem ổn định đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng để trì hệ sinh thái thủy sinh cấp nước cho ngành Hƣớng tiếp cận phƣơng pháp nghiên cứu 4.1 Hướng tiếp tiếp cận: (i) Tiếp cận hệ thống: Từ nghiên cứu lý thuyết đến áp dụng thực tiễn, từ giải pháp tổng thể cụ thể; (ii) Tiếp cận mang tính kế thừa: Số liệu kế thừa từ cơng trình nghiên cứu có trước 4.2 Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp kế thừa; Phương pháp khảo sát, đo đạc trường, lấy mẫu phân tích phịng thí nghiệm; Phương pháp phân tích thống kê; Phương pháp mơ hình tốn; Phương pháp phân tích so sánh Ý nghĩa khoa học thực tiễn nghiên cứu 5.1 Ý nghĩa khoa học: Hoàn thiện sở khoa học xác định dịng chảy tối thiểu có tính đến đầy đủ yếu tố thủy văn, thủy lực, sinh thái nhu cầu nước cho đối tượng sử dụng nước Trong sử dụng phương pháp phân tích sinh thái (điều kiện môi trường nước đáp ứng yêu cầu trì số quần thể cá chính) đóng góp quan trọng mặt khoa học Luận án 5.2 Ý nghĩa thực tiễn: Luận án xác định dòng chảy tối thiểu vùng hạ lưu sông Mã, làm sở khoa học thực tiễn giúp công tác quản lý tài nguyên nước sông Mã cách bền vững, đáp ứng yêu cầu ngành kinh tế xã hội Đóng góp Luận án: a Xác định dòng chảy tối thiểu cho vùng hạ du sông Mã sở nhận diện định lượng yếu tố chi phối gồm: Chế độ thủy văn, thủy lực sinh thái, ứng dụng thành cơng mơ hình sinh thái dựa loài thị b Xác định loài thị sinh thái hệ sinh thái thủy sinh vùng hạ du sông Mã, gồm: 1) Cá Chép - Cyprinus carpio, 2) cá Ngạnh - Cranoglanis henrici, 3) cá Đối đất - Chelon subviridis, 4) cá Bống - Eleotris fusca, 5) cá Bống cát tối - Glossogobius giuris Bố cục luận án: Không kể phần mở đầu, kết luận kiến nghị luận án gồm 03 chương sau: Chương 1: Tổng quan dòng chảy tối thiểu nghiên cứu có liên quan; Chương 2: Đối tượng phương pháp nghiên cứu dòng chảy tối thiểu; Chương 3: Kết nghiên cứu thảo luận CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ DỊNG CHẢY TỐI THIỂU VÀ CÁC NGHIÊN CỨU CĨ LIÊN QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu dịng chảy tối thiểu, dịng chảy mơi trƣờng lƣu vực sơng 1.1.1 Khái niệm dịng chảy tối thiểu, dịng chảy mơi trường Nghị định số 120/2008/NĐ-CP ngày 1/12/2008 Chính phủ việc quản lý lưu vực sơng định nghĩa "dịng chảy tối thiểu dịng chảy mức thấp cần thiết để trì dịng sơng đoạn sơng, bảo đảm phát triển bình thường hệ sinh thái thủy sinh bảo đảm mức tối thiểu cho hoạt động khai thác, sử dụng tài nguyên nước đối tượng sử dụng nước theo thứ tự ưu tiên xác định quy hoạch lưu vực sơng” Ngồi cịn nhiều định nghĩa dịng chảy mơi trường số quan tổ chức như: Tổ chức bảo tồn thiên nhiên giới (IUCN); Ngân hàng giới (WorldBank); Tổ chức dòng chảy quốc tế; Tổ chức mạng lưới dòng chảy mơi trường tồn cầu số tác giả điển tác giả Dyson, Bergkamp, Scanlon Nhìn chung định nghĩa “dịng chảy mơi trường” tương đồng, tất nhấn mạnh đến việc trì hệ sinh thái Tuy nhiên, định nghĩa dịng chảy mơi trường chưa có thành phần dịng chảy để cung cấp cho nhu cầu sử dụng nước phục vụ cho phát triển kinh tế - xã hội Xét tổng thể “dòng chảy tối thiểu” tổng quát đầu đủ đối tượng sử dụng nước coi “dịng chảy tối thiểu” bao gồm dịng chảy mơi trường dòng chảy cho nhu cầu sử dụng nước tối thiểu đối tượng sử dụng nước Do đó, nghiên cứu luận án “dòng chảy tối thiểu” gồm thành phần: (1) Dịng chảy mơi trường sinh thái, (2) Dòng chảy cho nhu cầu nước tối thiểu 1.1.2 Vai trò dòng chảy tối thiểu Dòng chảy mơi trường coi phần dịng chảy tối thiểu Vì vậy, vai trị dịng chảy mơi trường vai trị dịng chảy tối thiểu, có vai trị quan trọng sức khỏe dịng sơng Thiếu dịng chảy tối thiểu đặt tồn hệ sinh thái, người kinh tế trước rủi ro Trong bối cảnh thực quản lý tổng hợp tài nguyên nước, yêu cầu dòng chảy tối thiểu thỏa thuận thương mại đối tượng sử dụng nước Để tạo thuận lợi cho việc phân tích, thỏa thuận thương mại đó, dịng chảy tối thiểu phải đảm bảo sở bình đẳng hài hoà quyền lợi đối tượng sử dụng nước khác với hệ sinh thái thủy sinh 1.1.3 Tổng quan nghiên cứu dòng chảy tối thiểu thành phần dòng chảy dòng chảy tối thiểu: (1) Dịng chảy cho mơi trường sinh thái (2) dòng chảy cho nhu cầu nước Trong việc tính tốn chế độ dịng chảy cho lưu vực sơng, tính tốn cân nước, tính tốn thủy văn phần thiếu nghiên cứu dòng chảy tối thiểu dòng chảy mơi trường Tùy theo mục đích, nội dung nghiên cứu tình hình số liệu để chọn lựa mơ hình tốn thủy văn, thuỷ lực Để đánh giá chế độ dòng chảy mùa cạn hạ du lưu vực sơng cần tính tốn diễn biến dài hạn (5 năm, 10 năm, 20 năm lâu nữa), nghiên cứu thường sử dụng mơ hình thủy lực để mơ phỏng, tính tốn đánh giá Hiện có nhiều mơ hình ứng dụng cho việc tính tốn chế độ dòng chảy hạ du mùa cạn mơ hình VRSARP, HEC-RAS, MIKE11 nhiều mơ hình khác Trong mơ hình VRSARP, HEC-RAS, MIKE11 mơ hình có ưu nhược điểm khác nhau, mơ hình MIKE 11 mơ hình ứng dụng nhiều Việt Nam Luận án lựa chọn mơ hình để tính tốn chế độ dịng chảy hạ du sơng Mã Trên phạm vi giới, nghiên cứu dịng chảy mơi trường phát triển mạnh mẽ kể từ năm 1990 Đây khoảng thời gian mà số nghiên cứu quan trọng xuất hiện, tập trung vào chế độ dòng chảy tự nhiên khơi phục lại dịng chảy Có phương pháp sau: (1) Phương pháp thủy văn: dòng chảy thấp cao tùy thuộc vào thời gian thời đoạn sử dụng nhiều Bắc - Trung Mỹ đánh giá phương pháp đơn giản, nhanh chi phí thấp để cung cấp thơng tin ngưỡng mức độ dịng chảy; (2) Phương pháp đánh giá thủy lực hay gọi phương pháp trì mơi trường sống phương pháp thủy lực hình học thể mối quan hệ độ sâu lưu lượng dòng chảy, lưu lượng dòng chảy ảnh hưởng trực tiếp gián tiếp đến loài thủy sinh Phương pháp thủy lực phụ thuộc nhiều vào hình thái dịng sơng nên không phù hợp với sông nhánh; (3) Phương pháp mơ mơi trường sống nhằm mục đích bảo tồn loài đại diện lựa chọn trước đó, đáp ứng mối liên hệ tồn diện thủy văn, thủy lực môi trường sinh học; (4) Phương pháp tổng sử dụng chuyên gia Sử dụng phát triền phương pháp Úc Nam Phi, gần mở rộng sang Anh Đây phương pháp phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian kinh phí Đánh giá nghiên cứu giới, nhận thấy dịng chảy mơi trường áp dụng tuỳ theo yêu cầu đặt tuỳ theo đặc điểm lưu vực sông đặc điểm hệ sinh thái lưu vực sông Với yêu cầu nhiệm vụ khác vậy, nghiên cứu có phương thức tiếp cận phù hợp với yêu cầu nhiệm vụ cụ thể lưu vực sông Do vậy, luận án kế thừa điểm tương đồng đưa phương thức tiếp cận phù hợp áp dụng cho lưu vực sông Mã Việt Nam Tại Việt Nam có số nghiên cứu liên quan cần kể đến nghiên cứu Nguyễn Thị Kim Dung đề xuất dòng chảy tối thiểu bao gồm thành phần (1) Dịng chảy trì sơng, (2) dòng chảy cho nhu cầu nước sinh thái, (3) dòng chảy tối thiểu cho đối tượng sử dụng nước sông Vũ Gia - Thu Bồn; Nghiên cứu Đồn Thị Tuyết Nga dịng chảy mơi trường sông Đáy đoạn từ Hát Môn đến Ba Thá, qua việc phân tích số liệu thủy văn kết hợp với liệu chất lượng nước; Nghiên cứu đánh giá tác động dòng chảy kiệt tới sản xuất nông nghiệp, thủy sản vùng hạ dụ sông Cả sông Mã Nguyễn Quang Trung Mặc dù nghiên cứu đưa kết dòng chảy mơi trường dịng chảy tối thiểu cho lưu vực sơng, số liệu sinh thái cịn hạn chế chưa đề xuất dịng chảy mơi trường dịng chảy tối thiểu cụ thể cịn thiếu tính thực tiễn 1.2 Tổng quan lƣu vực sông Mã 1.2.1 Giới thiệu chung Lưu vực sơng Mã có diện tích 28.490 km2, dịng dài 512 km, có chi lưu lớn sơng Chu, sơng Bưởi có phân lưu sơng Lèn sông Lạch Trường Lưu vực sông Mã phân bố lãnh thổ quốc gia Lào Việt Nam Trên lãnh thổ Việt Nam, có diện tích lưu vực 17.690 km2, phần hạ du 8.503 km2 tập trung chủ yếu địa bàn tỉnh Thanh Hố Đây sơng có nguồn nước dồi có đầy đủ dạng địa hình núi cao, gò đồi, đồng đồng ven biển (1) vùng miền núi sơng Mã có tiềm xây dựng cơng trình lợi dụng tổng hợp bậc thang thủy điện; (2) vùng trung du có tiềm lớn phát triển công nghiệp, đặc sản; (3) vùng đồng đồng ven biển chiếm khoảng 8,25% diện tích tồn lưu vực, lại trung tâm phát triển kinh tế lưu vực, phù hợp cho thâm canh phát triển nông nghiệp, nuôi trồng thuỷ sản, phát triển công nghiệp dịch vụ kinh tế biển 1.2.2 Tình hình phát triển kinh tế - xã hội lưu vực sông Mã Nền kinh tế lưu vực sông Mã có bước chuyển dịch mạnh mẽ theo hướng cơng nghiệp hóa, đại hóa hình thành nhiều khu công nghiệp, khu kinh tế lớn khu kinh tế Nghi Sơn, khu công nghiệp - đô thị Thành phố Thanh Hóa Tính đến 2015, dân số toàn lưu vực đạt xấp xỉ triệu người, phân bố không đều, vùng cao dân cư thưa thớt, vùng thành thị, đồng dân cư lại dày đặc, mật độ dân số bình qn tồn vùng 197 người/km2 Dân cư tập trung chủ yếu vùng nông thôn chiếm 90%, khu vực thành thị chiếm 10% Cơ cấu kinh tế lưu vực sau: Nông - Lâm Ngư nghiệp 42,58%, Công nghiệp 27,22%, Xây dựng - Dịch vụ 30,2% 1.2.3 Hiện trạng môi trường, sinh thái vùng hạ du lưu vực song Mã Qua khảo sát cho thấy trạng môi trường nước hạ du sông Mã tốt, hầu hết số chất lượng nước nằm giới hạn cho phép mức A2, cho thấy khả pha lỗng tự làm sơng Mã tốt Ở hạ du sông Mã xác định 747 loài thuộc 493 giống/chi, 218 họ thuộc nhóm sinh vật như: 153 lồi thực vật nổi, 232 lồi thực vật bậc cao có mạch, 71 lồi động vật nổi, 40 loài thân mềm, 48 loài giáp xác 203 loài cá 1.2.4 Lịch sử khai thác, sử dụng nguồn nước song Mã Tài nguyên nước sông Mã đã, khai thác cho hoạt động sinh kế người dân Các công trình khai thác nguồn nước phát huy hiệu quả, điển hệ thống Cửa Đạt - Bái Thượng, trạm bơm Hoằng Khánh, trạm bơm Nam Sông Mã… với lượng khai thác ngày lớn từ 50 m3/s (trước 1950), đến đạt 277 m3/s 1.3 Định hƣớng nghiên cứu vấn đề cần giải luận án Luận án tập trung làm rõ số vấn đề sau: (i) Đánh giá thực trạng vấn đề cộm liên quan đến hoạt động khai thác tài nguyên nước sông Mã; (ii) Xác định loài đặc trưng hệ sinh thái thủy sinh xác định mực nước, lưu lượng dòng chảy vực sơng Mã; (iii) Ứng dụng mơ hình mơ tính tốn xác định lưu lượng dịng chảu hạ du sơng Mã có khả đáp ứng nhu cầu sử dụng nước cho phát triển kinh tế - xã hội lưu vực; (iv) Đề xuất dòng chảy tối thiểu giải pháp tổng thể nhằm trì dịng chảy tối thiểu với sơ đồ cấu trúc (Hình 1.5) Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc tổng thể dịng chảy tối thiểu Hình 2.5: Diễn biến cao độ đáy sơng Mã từ 2008 - 2013 - Lịng sơng Mã đoạn từ Cẩm Thủy đến cửa Hới có xu hạ thấp dần, với mức độ hạ thấp phổ biến đạt 1m, có số đoạn lịng sông bị hạ thấp tới 3m, đặc biệt vị trí cao độ đáy sơng bị hạ thấp tới 5,08m - Trên sơng Chu mức độ xói hạ thấp đáy sông từ sau đập Bái Thượng đến ngã ba Giàng, đoạn bị xói nhiều thượng lưu ngã ba Giàng từ 1,69÷3,33 m, đoạn phía thượng lưu xói nhiều vị trí có xu bồi tụ 2.1.5 Hệ tác động Qua phân tích cho thấy biến động chế độ dịng chảy sơng Mã thời kỳ trước có hồ (1980÷2009) sau có hồ vận hành (2010÷2015) sau: - Trên sông Chu, trạm thủy văn Cửa Đạt ghi nhận ảnh hưởng điều tiết hồ Hủa Na Cửa Đạt dẫn tới lưu lượng ngày nhỏ mực nước ngày nhỏ biến động mạnh hơn, xuất nhiều giá trị từ 3÷5 m3/s, thời kỳ trước có hồ lưu lượng nhỏ trạm khoảng 20m3/s + Trên sông Mã (tại Lý Nhân): Mực nước trung bình ngày mực nước ngày thời kỳ 2010÷2015, thấp thời kỳ 1980÷2009 từ 0,9÷1,0m Trong đó, mực nước trung bình ngày mực nước ngày thượng nguồn (tại Cẩm Thủy) thời kỳ 2010÷2015 cao thời kỳ 1980÷2009 lưu lượng trạm Cẩm Thủy mùa cạn thay đổi không nhiều thời kỳ Điều cho thấy ảnh hưởng rõ ràng tượng hạ thấp lòng dẫn việc hạ thấp mực nước hạ du dịng sơng Mã giai đoạn 2010÷2015 11 - Trên sơng Chu (tại trạm Xuân Khánh): Mực nước trung bình ngày mực nước ngày thời kỳ có hồ (2010÷2015) thấp trước có hồ 30÷50cm, từ 2010÷2015 lưu lượng dòng chảy mùa cạn cải thiện nhờ có điều tiết hồ Cửa Đạt thượng nguồn Những tác động suy giảm dòng chảy mùa cạn hạ du sông Mã: Mặn xâm nhập sâu hơn, mực nước hạ thấp ảnh hưởng trực tiếp đến cơng trình lấy nước dọc sơng, làm thay đổi môi trường sống hệ sinh thái thủy sinh 2.2 Xây dựng phƣơng pháp xác định dịng chảy tối thiểu cho hạ lƣu sơng Mã 2.2.1 Phương pháp xác định dòng chảy tối thiểu Dòng chảy tối thiểu coi “lượng dịng chảy mơi trường” cộng với “nhu cầu nước cho sử dụng đoạn sơng tính tốn (ở mức tối thiểu)” QTT = Tổng hịa ∑(QMT,ST, QKTSD) (2-1) Trong đó: QKTSD: Lưu lượng đảm bảo cho hoạt động kinh tế - xã hội, nghiên cứu bao gồm: Nước cấp cho sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp giao thông thủy Các thành phần QKTSD chia thành loại: (i) Dịng chảy mơi trường tiêu hao (Qmtth): Là lượng nước khai thác từ sông Mã để cấp cho nhu cầu sinh hoạt, công nghiệp nơng nghiệp; (2) Dịng chảy mơi trường khơng tiêu hao (Qmtkth): Là trình khai thác, sử dụng lượng nước khơng bị đi, lượng nước cho giao thơng thủy - QMT,ST: Dịng chảy đảm bảo cho hệ sinh thái phát triển bình thường dịng chảy môi trường không tiêu hao Từ đặc điểm dịng chảy mơi trường tiêu hao dịng chảy mơi trường không tiêu hao, công thức (2-1) khái quát lại dạng tổng quát sau: QTT = Tổng hịa ∑(Qmtkth+Qmtth) (2-2) Trong đó: Qmtkth dịng chảy mơi trường khơng tiêu hao, giá trị tổng hồ đảm bảo hệ sinh thái thuỷ sinh phát triển, sức khoẻ dịng sơng, cảnh quan mơi trường (xanh, sạch, đẹp) nhu cầu giao thông Trong khuôn khổ Luận án này, 12 dịng chảy mơi trường khơng tiêu hao xem xét thành phần: (1) Dịng chảy cho giao thơng thủy (2) dòng chảy cho nhu cầu sinh thái Như vậy, Qmtkth khái quát sau: Qmtkth = Tổng hồ (Qstts, Qgt) (2-3) Trong đó: + Qstts lưu lượng cho nhu cầu sinh thái thủy sinh + Qgt lưu lượng cho nhu cầu giao thông thủy Xác định dịng chảy tối thiểu cho hạ du sơng Mã, Luận án nghiên cứu sinh lựa chọn phương pháp mang tính tổng hợp, bao gồm: (i) Phương pháp khảo sát, đo đạc trường; (ii) Phương pháp phân tích thống kê; (iii) Phương pháp mơ hình thủy văn, thủy lực; (iv) Phương pháp mơ hình sinh thái; (v) Phương pháp phân tích so sánh Xác định nhu cầu sử dụng nước - Tưới, sinh hoạt, cơng nghiệp - Giao thơng thủy Hình 2.21: Sơ đồ bước tính tốn, xác định dịng chảy tối thiểu 13 2.2.2 Phương pháp mơ hình tốn để mơ tính tốn chế độ dịng chảy a Phương pháp xác định nhu cầu nước cho nút lấy nước dọc sông Lưu vực sông Mã chia thành vùng cấp nước Trong vùng thượng nguồn dịng sơng Mã đến Cẩm Thủy, vùng thượng nguồn sơng Chu đến Cửa Đạt, vùng thượng nguồn sông Bưởi đến Thạch Quảng nguồn nước cấp cho ngành chủ yếu từ hồ đập nhánh sông suối nhỏ Đối với vùng hạ du sông Mã, yếu tố ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy hạ du sông Mã việc khai thác, sử dụng nước từ cơng trình lấy nước trực tiếp sông Mã, sông Chu sông khác Vì vậy, việc xác định nhu cầu nước cho vùng hạ du sông Mã nghiên cứu tập trung vào xác định nhu cầu nước vị trí lấy nước trực tiếp sơng Phương pháp xác định sau: (i) Điều tra khảo sát, xác định nhu cầu khai thác thực tế từ 2010÷2015; (ii) Xác định nhu cầu nước nút tính tốn vùng hạ du Sông Mã Trong điều kiện thực tế nguồn nước bị suy giảm nghiêm trọng, cơng trình lấy nước vận hành điều kiện nguồn nước khó khăn, nên khả đáp ứng nhu cầu nước cơng trình thủy lợi tiệm cận với nhu nước tối thiểu Vì Luận án xác định lượng nước khai thác thực tế từ 2010÷2015 lượng nước tối tối thiểu cho nhu cầu nước ngành b Phương pháp mơ hình mơ phỏng, tính tốn chế độ dịng chảy sơng Mã Mơ hình thủy lực sử dụng để tính tốn, mơ lại diễn biến dòng chảy mùa cạn chuỗi năm khứ làm sở phân tích, xác định dịng chảy cho nhu cầu giao thơng thủy, dịng chảy tối thiểu cho môi trường sinh thái lựa chọn dịng chảy tối thiểu phù hợp cho đoạn sơng, đề xuất giải pháp trì dịng chảy tối thiểu Mơ hình MIKE 11 sử dụng nghiên cứu, xem xét tất thành phần phương trình sóng động lực giải hệ phương trình bảo tồn khối lượng động lượng (hệ phương trình St Venant) c Phương pháp mơ hình mơ phỏng, tính tốn dịng chảy sinh thái Nghiên cứu sử dụng mơ hình RHYHABSIM (River HYdraulic HABitat 14 SIMulation) để dự báo điều kiện dòng chảy thay đổi dịng chảy ảnh hưởng đến mơi trường sống sẵn có số loài cá RHYHABSIM sử dụng kết hợp mơ hình mơ thủy lực để dự báo điều kiện dòng chảy (chiều sâu, tốc độ) mơ hình sinh thái để dự báo biến động dịng chảy mơi trường sống có sẵn tới lồi thủy sinh Dự báo mơi trường sống loài cá định lượng cách sử dụng số diện tích sử dụng có trọng số (WUA - Weighted Usable Area - vùng mà mức độ phù hợp môi trường sống với sinh vật đánh giá xác định) Phương pháp kết hợp số liệu số lượng chất lượng tương đối mơi trường sống sẵn có dịng chảy định áp dụng để tính WUA WUA thể khu vực có mơi trường sống thích hợp chiều dài độ sâu dòng chảy (m2/m) Nghiên cứu sử dụng mơ hình RHYHABSIM để thiết lập giới hạn dòng chảy sinh thái tối thiểu cho sơng Mã Q trình sử dụng kết mơ hình thủy động lực MIKE11 để xác định dòng chảy sinh thái tối thiểu yêu cầu giúp cân khai thác nguồn nước Quá trình thực chủ yếu gồm hai bước: - Xác định điểm mà mơi trường sống lồi thủy sinh lựa chọn giảm đáng kể suy giảm lưu lượng Điểm gọi điểm uốn đường cong mơi trường sống × phản ứng với dịng chảy (WUA); - Xác định dịng chảy sở đánh giá mơi trường sống tương quan với dịng chảy đó, thường dịng chảy trung bình thấp hàng năm (MALF) 2.2.3 Phương pháp khảo sát, đo đạc, phân tích phịng thí nghiệm Tại khu vực khảo sát (KS), nghiên cứu thực công việc như: Thu mẫu thủy sinh vật; thu mẫu chất lượng nước; Đo nhanh số yếu tố môi trường; Chụp ảnh, quan sát, ghi chép đặc điểm điều kiện tự nhiên, thủy lý hóa trạm khảo sát lưu vực sơng Mã Tiến hành đo đạc khảo, thí nghiệm với mẫu nước, mẫu thuỷ sinh vật Phỏng vấn người dân địa phương ghi chép tất số liệu thực địa ghi phiếu thu mẫu bao gồm sinh vật nổi, động vật đáy, cá 15 Hình 2.27: Sơ đồ vị trí khảo sát, thu mẫu thủy sinh hạ du sông Mã Kết điều tra khảo sát cho thấy: vùng có 203 loài cá thuộc 144 giống, 54 họ, 12 khu vực hạ du sông Mã với cá Vược chiếm ưu tất bậc phân loại Từ kết phân tích đánh giá thực trạng hệ sinh thái sơng Mã, lồi cá xác định thị sinh thái để đánh giá hệ sinh thái thủy sinh sông Mã, bao gồm: 1) Cá Chép - Cyprinus carpio, 2) cá Ngạnh - Cranoglanis henrici, 3) cá Đối đất - Chelon subviridis, 4) cá Bống - Eleotris fusca, 5) cá Bống cát tối - Glossogobius giuris 2.3 Thiết lập mô hình thủy lực cho mùa cạn mạng sơng Mã 2.3.1 Sơ đồ mạng sông Sông Mã hệ thống sơng hồn chỉnh, nghiên cứu chế độ thủy văn, thủy lực hạ lưu cần phải xem xét tính tốn tồn mạng sơng Mạng 16 sơng đưa vào tính tốn thuỷ lực bao gồm tồn dịng phụ lưu vùng trung, hạ du lưu vực sơng Mã bao gồm dịng sơng Mã, sơng Bưởi, sơng Chu, sơng Lèn, sơng Hoạt, sơng Báo Văn, sơng Lạch Trường, kênh De Hình 2.28: Sơ đồ thủy lực mạng sông Mã đưa vào tính tốn 2.3.2 Số liệu đầu vào, biên tính toán Sử dụng số liệu liên quan đến: (i) Địa hình lịng dẫn sơng; (ii) Tài liệu thủy văn; cơng trình lấy nước dọc sơng 2.3.3 Mơ phỏng, hiệu chỉnh kiểm định mơ hình a Tính tốn mơ Để xác định thơng số mơ hình thuỷ lực xâm nhập mặn mùa cạn cho vùng hạ du sông Mã, nghiên cứu chọn thời kỳ từ 17÷30/03/2010 để tính tốn mơ cho toán thủy lực kiệt - mặn Đây thời đoạn triều mùa cạn, có số liệu quan trắc tương đối đầy đủ, đồng Kết tính tốn mực nước, nồng độ mặn max, mô thực đo 17 số vị trí sơng Mã xác định b Tính tốn kiểm định mơ hình Để kiểm định thơng số mơ hình thủy lực mùa cạn cho vùng hạ du sông Mã, nghiên cứu chọn thời kỳ từ 10/3÷22/03/2015 để tính kiểm định mơ hình, thời đoạn triều thời kỳ mùa cạn số liệu đo đạc năm 2015 Kết tính tốn kiểm định thực đo số vị trí sơng Mã xác định Kết mô kiểm định mô hình thủy lực mùa cạn hạ du sơng Mã cho thấy: (1) Kết tính tốn mơ chế độ thuỷ lực kiệt - mặn nút kiểm tra có số liệu quan trắc cho kết mực nước, nồng độ mặn tính tốn giá trị thực đo chênh khơng đáng kể; đường q trình mực nước, nồng độ mặn thời kỳ kiệt năm 2010 tính tốn thực đo tương đối phù hợp nhau; (2) Kết tính tốn kiểm định mơ hình cho kết phù hợp với thực tế khảo sát, thông số sử dụng mô hình thuỷ lực phản ánh xác chế độ thủy lực mùa cạn mạng sông Mã, đủ độ tin cậy để tiến hành tính tốn thuỷ lực kiệt - mặn cho trường hợp khác nghiên cứu 2.4 Thiết lập mơ hình sinh thái vùng hạ lƣu sông Mã 2.4.1 Số liệu đầu vào, biên tính tốn Các số liệu đầu vào cho thực mơ mơ hình bao gồm hai nhóm số liệu: Nhóm số liệu khảo sát thực địa chuỗi số liệu ghi chép nhiều năm dịng chảy sơng Khi thực khảo sát, thông số đại diện cho mặt cắt đoạn sông thủy lực môi trường sống loài thị thu thập - Số liệu thủy văn - thủy lực, địa hình, bao gồm số liệu khảo sát 03 đoạn sơng dịng sơng Mã số liệu thủy văn, địa hình thể - Số liệu môi trường sinh thái gồm loài cá xác định thị sinh thái để đánh giá hệ sinh thái thủy sinh sông Mã 18 2.4.2 Đánh giá mức độ phù hợp lồi với điều kiện mơi trường Đánh giá phân tích đặc điểm thích nghi với mơi trường sống lồi lựa chọn với điều kiện thủy lực, tính chất thể thể hình 2.36 A Cá Chép, Cyprinus carpio (Linnaeus, 1758) B Cá Ngạnh thường, Cranoglanis henrici (Vaillant, 1893) C Cá Đối đất, Chelon subviridis (Valenciennes, 1836) D Cá Bống mọi, Eleotris fusca (Forster, 1801) E Cá Bống cát tối, Glossogobius giuris (Hamilton, 1822) Hình 2.36: Đặc tính thích nghi lồi cá với điều kiện mơi trường sống 19 2.5 Kết luận chƣơng Trong chương nhận diện yếu tố chi phối đến chế độ dịng chảy hạ du sơng Mã, bao gồm yếu tố tự nhiên hoạt động kinh tế - xã hội Trong đó, hoạt động kinh tế - xã hội nhân tố tác động đến dòng chảy hạ du, đặc biệt biến đổi lòng dẫn năm gần làm cho mực nước hạ du sông Mã bị hạ thấp, ảnh hưởng đến hoạt động cơng trình lấy nước dọc sông, làm cho mặn xâm nhập sâu vào nội địa ảnh hưởng đến môi trường sống lồi thủy sinh vùng hạ du sơng Mã Đã xác định loài cá thị sinh thái để đánh giá hệ sinh thái thủy sinh sông Mã, làm sở xác định dịng chảy mơi trường sinh thái CHƢƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tính tốn xác định dịng chảy tối thiểu vùng hạ du sông Mã 3.1.1 Xác định điểm kiểm sốt dịng chảy tối thiểu Dịng chảy tối thiểu sơng qua điểm kiểm sốt “Dịng chảy mức thấp cần thiết để trì dịng sơng đoạn sơng nhằm bảo đảm phát triển bình thường hệ sinh thái thủy sinh bảo đảm mức tối thiểu cho hoạt động khai thác, sử dụng tài nguyên nước đối tượng sử dụng nước” Các điểm kiểm sốt đoạn sơng xác định sau: - Đoạn sông (ĐKS1): Từ trạm thủy văn Cẩm Thủy đến ngã ba Vĩnh Khang, điểm kiểm sốt trạm thủy văn Lý Nhân - Đoạn sơng (ĐKS2): Từ ngã ba Vĩnh Khang đến ngã ba Bơng, điểm kiểm sốt Sét Thơn (cách ngã ba Vĩnh Khang khoảng 3km) - Đoạn sông 3: Từ ngã ba Bơng đến ngã ba Giàng, điểm kiểm sốt hạ lưu trạm bơm Hồng Khánh (cách ngã ba Bơng 2,2km) 3.1.2 Kết tính tốn thủy lực mùa cạn hạ lưu sơng Mã Qua phân tích kết trường hợp dịng chảy mùa cạn (trung bình mùa cạn, trung bình tháng kiệt nhất, trung bình tháng kiệt lưu lượng kiệt nhất) 20 năm từ 1980÷2015 cho thấy: Năm kiệt chuỗi 35 năm năm 1999, tần suất hạn trường hợp xét trạm thủy văn Cẩm Thủy tương đương với 99%; giai đoạn kiệt tồn chuỗi từ 1989÷1999; giai đoạn dòng chảy đến cao mùa cạn từ 2000÷2009; giai đoạn từ 1980÷1988 2010÷2015 dịng chảy đến mùa cạn nằm mức trung bình tồn chuỗi 3.1.3 Xác định lưu lượng cho nhu cầu sử dụng nước đoạn sông Căn theo lưu lượng nước cơng trình khai thác nguồn nước dọc sông Mã để xác định lưu lượng nước cần cho nhu cầu đối tượng sử dụng nước đoạn sông hạ du sông Mã bảng 3.5 Bảng 3.5 Lưu lượng khai thác cho nhu cầu nước đoạn sơng Qmax Qmin Qtrungbình Đoạn sơng Sông (m /s) (m3/s) (m3/s) Đoạn sông 1: Từ thủy văn Cẩm Thủy ÷ Mã 15,55 11,55 14,17 ngã ba Vĩnh Khang Đoạn sông 2: Từ ngã ba Vĩnh Khang ÷ Mã 4,72 4,72 4,72 ngã ba Bơng Đoạn sơng 3: Ngã ba Bơng÷ngã ba Giàng Mã 14,49 8,89 12,06 Đoạn sơng 4: Từ cầu ngã ba Giàng ÷ Mã 1,25 1,25 1,25 Hồng Long 3.1.4 Xác định dịng chảy mơi trường khơng tiêu hao Dịng chảy mơi trường khơng tiêu hao bao gồm: (1) Dịng chảy cho nhu cầu giao thơng thủy (2) dịng chảy cho mơi trường sinh thái Dựa số liệu đầu vào, mô hình sinh thái RHYHABSIM xây dựng đường cong sinh thái mối tương quan môi trường sống đánh giá giá trị WUA loài cá sơng Mã Hình 3.7, từ xác định dịng chảy cho mơi trường sinh thái Từ kết thành phần dòng chảy trên, nghiên cứu xác định dịng chảy mơi trường khơng tiêu hao cho đoạn sơng hạ du dịng sơng Mã sau: 21 Bảng 3.15 Dịng chảy môi trường không tiêu hao đoạn sông Đoạn sơng Cấp sơng Điểm kiểm sốt Qmtkth (m3/s) Đoạn1: Từ Cẩm Thủy ÷ ngã khơng quy ĐKS 51,0 ba Vĩnh Khang định Đoạn 2: Ngã ba Vĩnh Khang IV ĐKS 49,0 ÷ ngã ba Bơng Đoạn 3: Ngã ba Bơng ÷ ngã III ĐKS 61,0 ba Giàng Đoạn sông Đoạn sông Q (m3/s) Q (m3/s) Đoạn sơng Q (m3/s) Hình 3.7: Mối tương quan môi trường sống đánh giá giá trị WUA lồi cá sơng Mã 3.1.5 Xác định dịng chảy tối thiểu vùng hạ du sơng Mã Trên sở kết tính tốn dịng chảy mơi trường tiêu hao dịng chảy mơi trường khơng tiêu hao đoạn sơng xác định Kết tính dịng chảy tối thiểu đoạn sơng sau: 22 Bảng 3.16 Dịng chảy tối thiểu đoạn sơng vùng hạ du sông Mã Qmtkth Qmtth Qtt Đoạn sông Vị trí Sơng 3 (m /s) (m /s (m3/s) Đoạn1: Từ Cẩm Thủy ÷ ngã ĐKS Mã 51,0 14,17 65,17 ba Vĩnh Khang Đoạn 2: Ngã ba Vĩnh Khang ĐKS Mã 49,0 4,72 53,72 ÷ ngã ba Bơng Đoạn 3: Ngã ba Bơng ÷ ngã ĐKS Mã 61,0 12,06 73,06 ba Giàng 3.2 Phân tích phù hợp dịng chảy tối thiểu Kết tính tốn dịng chảy tối thiểu theo phương pháp lựa chọn Luận án phù hợp với diễn biến dòng chảy thực tế từ 1980÷2015 Phương pháp lựa chọn Luận án xem xét đầy đủ thành phần dịng chảy tối thiểu, tồn diện mặt khoa học 3.3 Các giải pháp trì dịng chảy tối thiểu vùng hạ du sông Mã 3.3.1 Giải pháp điều hành hồ chứa Vận hành hồ chứa theo Quy trình vận hành 214/QĐ-TTg; vận hành hồ chứa theo Quy trình vận hành 214/QĐ-TTg, kênh Cửa Đạt hoàn thành tưới thay cho trạm bơm dọc sông Mã với lưu lượng 15,42 m3/s cho thấy: Trong trường hợp, tính tốn lưu lượng kiệt cho năm có dịng chảy kiệt xảy sông Mã (1999, tần suất kiệt xấp xỉ 99%), dịng chảy sơng Mã đáp ứng yêu cầu dòng chảy tối thiểu đặt cho đoạn sông hạ du sông Mã Khi có hồ Cửa Đạt, Hủa Na Trung Sơn bổ sung lưu lượng mùa cạn nồng độ mặn cải thiện để trạm bơm từ Giàng đến cầu Hàm rồng tranh thủ lấy nước để cấp cho nơng nghiệp Như vậy, có giải pháp trì lưu lượng dịng chảy tối thiểu sông đoạn hạ du sông Mã xác định, yêu cầu giao thông thủy đảm bảo trường hợp năm kiệt năm 1999 3.3.2 Đề xuất giải pháp quản lý Để trì dịng chảy tối thiểu, nghiên cứu đề xuất số giải pháp quản lý 23 sau: (1) Quản lý việc xả thải để không thay đổi trạng chất lượng nước sông Mã; (2) Quản lý chặt chẽ dịng sơng Mã đảm bảo lịng dẫn khơng bị hạ thấp hoạt động kinh tế lưu vực; (3)Nghiên cứu phương án dự báo dòng chảy kiệt cho lưu vực sông Mã, làm sở cho điều hành hồ chứa mùa cạn; (4) Chuyển đổi cấu trồng hợp lý cho năm hạn sở dự báo dòng chảy kiệt lưu vực sông Mã 3.4 Kết luận Chƣơng Chương xác định dòng chảy tối thiểu cho đoạn sơng dựa tiêu chí: Đảm bảo cấp đủ nước cho nhu cầu nước ngành (sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp giao thông thủy) đảm bảo môi trường sinh thái KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Luận án xác định thay đổi chế độ thủy văn dòng chảy hạ du sơng Mã, bật việc hạ thấp mực nước năm gần Sự hạ thấp có nhiều nguyên nhân suy giảm dòng chảy đến, khai thác mức hạ thấp lòng dẫn Dòng chảy suy giảm tác động đến hoạt động cơng trình lấy nước dọc sơng môi trường sinh thái khu vực nghiên cứu Nghiên cứu xác định dòng chảy tối thiểu cho đoạn sông: Từ trạm thủy văn Cẩm Thủy đến ngã ba Vĩnh Khang 65,17 m3/s, từ ngã ba Vĩnh Khang đến ngã ba Bông 53,72 m3/s, từ ngã ba Bông đến ngã ba Giàng 73,06 m3/s Dòng chảy tối thiểu đảm bảo đáp ứng nhu cầu nước sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông thủy đảm bảo cho hệ sinh thái thủy sinh phát triển Mặt khác, dòng chảy tối thiểu đề xuất phù hợp với dòng chảy thực tế năm khứ sông Mã Kiến nghị: Cần mở rộng tính tốn xác định dịng chảy nhánh sông khác sông Chu, sông Bưởi 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Lương Ngọc Chung, Bùi Nam Sách, 2018, Xác định dòng chảy tối thiểu giải pháp trì dịng chảy tối thiểu hạ du sơng Mã, Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển Nông thôn, số 12, tháng 6/2018, ISSN 1859-4581 Lương Ngọc Chung, Trần Viết Ổn, 2018, Ứng dụng mơ hình thủy lực chiều đánh giá xu biến động dịng chảy kiệt lưu vực sơng Mã, Tạp chí Khoa học Thủy lợi Mơi trường, Số 60, 3/2018, Tr 41-47, ISSN 18593941 Luong Ngoc Chung, Nguyen Thi Kim Cuc, Trieu Anh Ngoc, Nguyen Thanh Nam, Le Viet Sơn, Tran Viet On, 2017, Required flows for aquatic ecosystems in Ma River, Vietnam, International Journal of Environment, Agriculture and Biotechnology (IJEAB), Vol-2, Issue-6, 3068-3077, November 2017, ISSN: 2456-1878 Lương Ngọc Chung, 2017, Nguy xảy hạn hán, thiếu nước hạ du sông Mã, Hội nghị Khoa học Thủy lợi toàn quốc năm 2017, Tr 41-43 Lương Ngọc Chung, 2016, Suy giảm dòng chảy kiệt tác động đến khai thác sử dụng nước môi trường vùng hạ du lưu vực sông Mã, Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển Nơng thơn, 1/2016, Tr 53-60, ISSN 1859-4581 25 ... hạ du lưu vực song Mã Qua khảo sát cho thấy trạng môi trường nước hạ du sông Mã tốt, hầu hết số chất lượng nước nằm giới hạn cho phép mức A2, cho thấy khả pha loãng tự làm sông Mã tốt Ở hạ du. .. xác định dịng chảy tối thiểu cho hạ du sông Mã CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU DÒNG CHẢY TỐI THIỂU HẠ DU SÔNG MÃ 2.1 Nhận diện tác động đến chế độ dịng chảy hạ du sơng Mã Sơng Mã đối mặt với tình... Qmtkth = Tổng hoà (Qstts, Qgt) (2-3) Trong đó: + Qstts lưu lượng cho nhu cầu sinh thái thủy sinh + Qgt lưu lượng cho nhu cầu giao thơng thủy Xác định dịng chảy tối thiểu cho hạ du sông Mã, Luận án