Mục tiêu nghiên cứu của Luận án bao gồm: Nghiên cứu, xây dựng cơ sở khoa học để xác định dòng chảy tối thiểu cần duy trì ở hạ du sông Mã đáp ứng yêu cầu nước tối thiểu của các đối tượng sử dụng nước và duy trì hệ sinh thái thủy sinh vùng hạ du sông Mã. Nghiên cứu, đề xuất các giải pháp duy trì dòng chảy tối thiểu đảm bảo phát triển bền vững tài nguyên nước vùng hạ du sông Mã.
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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2019 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 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS TRẦN VIẾT ỔN TS LÊ VIẾT SƠN HÀ NỘI, NĂM 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án tiến sĩ “Nghiên cứu xác định dòng chảy tối thiểu nhằm quản lý bền vững tài nguyên nước vùng hạ du sông Mã” cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu tài liệu luận án trung thực chƣa đƣợc công bố công trình nghiên cứu Tất tham khảo kế thừa đƣợc trích dẫn tham chiếu đầy đủ Tác giả Luận án Lƣơng Ngọc Chung i LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian nghiên cứu, nhận hướng dẫn tận tình thầy hướng dẫn, hỗ trợ gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, thầy cô Nhà trường để tơi hồn thành Luận án Đầu tiên, tơi xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới GS.TS Trần Viết Ổn người có định hướng trực tiếp hướng dẫn, bảo cho tơi suốt q trình nghiên cứu; Tôi xin cảm ơn chân thành đến TS Lê Viết Sơn người bạn, người hướng dẫn thứ hai hỗ trợ có nhiều ý kiến chuyên môn quý báu cho nghiên cứu Tôi xin cảm ơn Bộ môn Kỹ thuật Quản lý tưới, Khoa Kỹ thuật Tài nguyên nước, Phòng Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Thủy lợi tạo điều kiện tốt cho suốt thời gian học tập nghiên cứu vừa qua Xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp Viện Quy hoạch Thủy lợi hỗ trợ tạo điều điều kiện cho tơi q trình thực Luận án Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn người thân gia đình ln động viên, hỗ trợ khích lệ tơi vượt qua thời điểm khó khăn để hồn thành Luận án Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, tháng ii năm 2019 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu Luận án 3 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu: Phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Bố cục Luận án CHƢƠNG TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DÒNG CHẢY TỐI THIỂU VÀ LƢU VỰC SÔNG MÃ 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu dịng chảy tối thiểu, dịng chảy mơi trƣờng lƣu vực sơng 1.1.1 Khái niệm dòng chảy tối thiểu, dịng chảy mơi trƣờng 1.1.2 Vai trò dòng chảy tối thiểu 1.1.3 Tổng quan nghiên cứu dòng chảy tối thiểu 1.2 Tổng quan lƣu vực sông Mã 31 1.2.1 Giới thiệu chung 31 1.2.2 Tình hình phát triển kinh tế - xã hội lƣu vực sông Mã 33 1.2.3 Hiện trạng môi trƣờng, sinh thái vùng hạ du lƣu vực sông Mã 35 1.2.4 Lịch sử khai thác, sử dụng nguồn nƣớc sông Mã 38 1.3 Định hƣớng nghiên cứu vấn đề cần giải Luận án 40 1.4 Kết luận chƣơng 42 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH DÒNG CHẢY TỐI THIỂU HẠ DU SÔNG MÃ 43 2.1 Nhận diện tác động đến chế độ dòng chảy hạ du sông Mã 43 2.1.1 Những tác động tự nhiên 43 2.1.2 Những tác động hoạt động kinh tế - xã hội 46 2.1.3 Biến động nhu cầu sử dụng nƣớc lƣu vực 53 2.1.4 Hệ tác động 53 2.2 Xây dựng phƣơng pháp xác định dịng chảy tối thiểu cho hạ lƣu sơng Mã 61 2.2.1 Phƣơng pháp xác định dòng chảy tối thiểu 61 iii 2.2.2 Phƣơng pháp mơ hình tốn để mơ tính tốn chế độ dịng chảy 64 2.2.3 Phƣơng pháp khảo sát, đo đạc, lấy mẫu phân tích phịng thí nghiệm 71 2.2.4 Phƣơng pháp xác định dịng chảy cho giao thông thủy 77 2.3 Thiết lập mơ hình thủy lực cho mùa cạn mạng sông Mã 78 2.3.1 Sơ đồ mạng sông 78 2.3.2 Số liệu đầu vào, biên tính tốn 79 2.3.3 Mô phỏng, hiệu chỉnh kiểm định mơ hình 81 2.4 Thiết lập mô hình sinh thái vùng hạ lƣu sơng Mã 84 2.4.1 Số liệu đầu vào, biên tính tốn 84 2.4.2 Đánh giá mức độ phù hợp lồi với điều kiện mơi trƣờng 90 2.5 Kết luận chƣơng định hƣớng nội dung chƣơng 91 CHƢƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 93 3.1 Tính tốn xác định dịng chảy tối thiểu vùng hạ du sơng Mã 93 3.1.1 Xác định điểm kiểm soát dòng chảy tối thiểu 93 3.1.2 Kết tính tốn thủy lực mùa cạn hạ lƣu sông Mã 97 3.1.3 Xác định lƣu lƣợng cho nhu cầu sử dụng nƣớc đoạn sông 102 3.1.4 Xác định dịng chảy mơi trƣờng khơng tiêu hao 104 3.1.5 Xác định dòng chảy tối thiểu vùng hạ du sông Mã 115 3.2 Phân tích phù hợp dòng chảy tối thiểu 116 3.2.1 So sánh kết tính tốn với kết phƣơng pháp Tessman 116 3.2.2 Sự phù hợp DCTT với dòng chảy mùa cạn diễn khứ 119 3.3 Các giải pháp trì dịng chảy tối thiểu vùng hạ du sông Mã 121 3.3.1 Giải pháp điều hành hồ chứa 122 3.3.2 Đề xuất giải pháp quản lý 126 3.4 Kết luận Chƣơng 127 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 128 Kết luận 128 Kiến nghị 129 Những hạn chế định hƣớng nghiên cứu 130 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO 132 iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Mối liên hệ vai trò dòng chảy tối thiểu chức hệ sinh thái [12] Bảng 1.2 Phân loại mơ hình mục đích loại [13], [14] .10 Bảng 1.3 Phân tích, so sánh mơ hình .11 Bảng 1.4 Tỷ lệ phần trăm (%) dịng chảy năm trung bình nhiều năm (Qo) dùng cho tính tốn dịng chảy mơi trƣờng theo phƣơng pháp Tennant [17] 13 Bảng 1.5 Dịng chảy năm trung bình số vị trí lƣu vực sơng Mã .32 Bảng 1.6 Kết điều tra trạng khai thác thủy sản sông Mã [73] 34 Bảng 1.7 Số lƣợng động, thực vật ghi nhận hạ lƣu sông Mã [73] 36 Bảng 1.8 So sánh thành phần lồi cá sơng Mã với khu vực nghiên cứu khác [73] 38 Bảng 1.9 Quy mô khai thác nguồn nƣớc sông Mã qua thời kỳ [5] 40 Bảng 2.1 Bình quân lƣợng mƣa năm thập kỷ trạm sông Mã [74] 45 Hình 2.3: Diễn biến lƣợng mƣa mùa khơ trạm sông Mã 45 Bảng 2.2 Bình qn lƣợng mƣa mùa khơ thập kỷ trạm sông Mã [74] 46 Bảng 2.3 Bình quân lƣợng mƣa mùa mƣa thập kỷ trạm sông Mã [74] 46 Bảng 2.4 Diễn biến tình hình phát triển dân số lƣu vực sơng Mã [5], [72] 52 Bảng 2.5 Diễn biến sản xuất ngành nông nghiệp lƣu vực [5], [72] 52 Bảng 2.6 Diễn biến sản xuất ngành công nghiệp lƣu vực sông Mã [5] 52 Bảng 2.7 Biến động nhu cầu sử dụng nƣớc lƣu vực sông Mã [70], [5] 53 Bảng 2.8 Xếp hạng chất lƣợng nƣớc theo số đa dạng Shannon [84] 74 Bảng 2.9 Xếp hạng mức độ đa dang theo số Margalef 76 Bảng 2.10 Địa hình lịng dẫn mạng sơng Mã [5], [85] 79 Bảng 2.11 Chỉ tiêu biên gia nhập khu sông Mã 80 Bảng 2.12 Kết mực nƣớc thực đo tính tốn mơ 81 Bảng 2.13 Kết nồng độ mặn thực đo tính tốn mơ 82 Bảng 2.14 Kết mực nƣớc thực đo tính toán kiểm định .82 Bảng 2.15 Kết nồng độ mặn thực đo tính tốn mô kiểm định 83 Bảng 2.16 Lƣu lƣợng thấp ngày ngày vùng nghiên cứu 86 Bảng 2.17 Một số thông tin loài cá đƣợc lựa chọn hạ du sông Mã 87 Bảng 2.18 Mức độ phù hợp với số yếu tố môi trƣờng cá Chép [86] 88 Bảng 2.19 Mức độ phù hợp với số yếu tố môi trƣờng cá Ngạnh thƣờng [87] 88 Bảng 2.20 Mức độ phù hợp với số yếu tố môi trƣờng cá Đối đất [88] 89 Bảng 2.21 Mức độ phù hợp với số yếu tố môi trƣờng cá Bống [89] 89 Bảng 2.22 Mức độ phù hợp với số yếu tố môi trƣờng cá Bống cát tối [92] 89 Bảng 3.1 Tần suất dòng chảy năm, dòng chảy mùa cạn trạm Cẩm Thủy 98 Bảng 3.2 Tần suất lƣu lƣợng mùa cạn trạm Cẩm Thủy 1999 2010÷2015 99 v Bảng 3.3 Tần suất lƣu lƣợng mùa cạn trạm Lý Nhân, Sét Thôn 1999 2010÷2015 101 Bảng 3.4: Lƣu lƣợng sông Mã mùa cạn số năm 102 Bảng 3.5 Lƣu lƣợng khai thác cho nhu cầu nƣớc đoạn sông 103 Bảng 3.6 Quy định kích thƣớc đƣờng thủy nội địa cho miền Bắc miền Trung 105 Bảng 3.7 Quy định kích thƣớc đƣờng thủy nội địa cho sông Mã 105 Bảng 3.8 Một số thông số mặt cắt sông Mã từ ngã ba Vĩnh Khang đến ngã ba Bông106 Bảng 3.9 Một số thông số mặt cắt sơng Mã đoạn từ ngã ba Bơng đến cầu Hồng Long 108 Bảng 3.10 Mực nƣớc nhỏ sông Mã từ ngã ba Bơng đến cầu Hồng Long 108 Bảng 3.11 So sách mực nƣớc nhỏ khứ với yêu cầu kích thƣớc đƣờng thủy nội địa sơng Mã từ ngã ba Bơng đến cầu Hồng Long 109 Bảng 3.12 Nhu cầu dòng chảy cho giao thông thủy hạ du sông Mã 109 Bảng 3.13 Yêu cầu dòng chảy cho lồi thị đoạn sơng 112 Bảng 3.14 Đề xuất lƣu lƣợng sinh thái tối thiểu cho đoạn sông hạ du sông Mã 114 Bảng 3.15 Dịng chảy mơi trƣờng khơng tiêu hao đoạn sông vùng hạ du sông Mã 115 Bảng 3.16 Dòng chảy tối thiểu đoạn sông vùng hạ du sông Mã 116 Bảng 3.17 Đề xuất số yếu tố dịng chảy cho lồi thị 116 Bảng 3.18 Lƣu lƣợng trung bình tháng nhiều năm điểm kiểm soát 117 Bảng 3.19 Xác định dòng chảy tối thiểu Lý Nhân theo phƣơng pháp Tessman 117 Bảng 3.20 Xác định dịng chảy tối thiểu Sét Thơn theo phƣơng pháp Tessman 118 Bảng 3.21 So sánh kết dòng chảy tối thiểu phƣơng pháp 118 Bảng 3.22 So sánh giá trị DCTT với giá trị dịng chảy kiệt từ 1980÷2015 119 Bảng 3.23 Các trạm bơm sông Mã đƣợc kênh Cửa Đạt tƣới thay [5], [94] 123 Bảng 3.24 Kết tính tốn lƣu lƣợng số vị trí sơng mùa cạn năm 1999 cho trƣờng hợp 123 Bảng 3.25 Mực nƣớc nhỏ sông Mã mặt cắt từ ngã ba Vĩnh Khang đến ngã ba Bông với trƣờng hợp tính tốn 125 Bảng 3.26 Mực nƣớc nhỏ sông Mã mặt cắt từ ngã ba Bông đến cầu Hồng Long với trƣờng hợp tính tốn 125 Bảng (phụ lục 1): Đặc trƣng mực nƣớc trung bình tháng, năm trạm 139 Bảng (phụ lục 1): Đặc trƣng mực nƣớc nhỏ tháng, năm trạm 140 Bảng (phụ lục 1) Các khu cơng nghiệp tập trung có dự kiến sông Mã [5] 141 Bảng (phụ lục 1): Kết phân tích mẫu nƣớc trung bình đợt đo sông Mã [73] 141 vi Bảng (phụ lục 2): Kết khảo sát mặt cắt sông Mã Lý Nhân đoạn sông 142 Bảng (phụ lục 2): Kết khảo sát mặt cắt sông Mã Sét Thôn đoạn sông 142 Bảng (phụ lục 2): Kết khảo sát mặt cắt sông Mã trạm bơm Hoằng Khánh đoạn sông 142 Bảng (phụ lục 2): Kết phân tích thành phần hạt theo khối lƣợng 143 Bảng (phụ lục 2): Kết phân tích thành phần hạt theo tỷ lệ % 145 Bảng (phụ lục 3) Kết lƣu lƣợng trung bình mùa cạn, trung bình tháng kiệt trung bình tháng kiệt số vị trí sơng mùa cạn năm từ 1980÷2015 148 Bảng (phụ lục 3): Kết lƣu lƣợng max, số vị trí sơng mùa cạn năm từ 1980÷2015 149 Bảng (phụ lục 3): Kết mực nƣớc max, số vị trí sơng mùa cạn năm từ 1980÷2015 150 Bảng (phụ lục 3): Thống kê cơng trình lấy nƣớc hạ du sông Mã [5], [94] 151 Bảng (phụ lục 3): Chỉ tiêu vị trí lấy nƣớc hạ du sông Mã [5], [94] 151 Bảng (phụ lục 4): Cấu trúc thành phần loài cá vùng hạ du sông Mã 154 Bảng (phụ lục 4): Thành phần loài cá tƣơng ứng với 10 mặt cắt thu mẫu vùng hạ du sông Mã năm 2016 154 Bảng (phụ lục 4): Hiện trạng chất lƣợng nƣớc mặt cắt sông Mã khảo sát từ 15÷25/2/2016 157 Bảng (phụ lục 4): Vị trí mặt cắt khảo sát chất lƣợng nƣớc, thu mẫu môi trƣờng mẫu thủy sinh vật 159 lƣu vực sông Mã 159 Bảng (phụ lục 5): Bảng phân hạng cách tính điểm cho số tổ hợp sinh học cá 160 áp dụng cho việc đánh giá chất lƣợng nƣớc vùng cửa sông Mã 160 Bảng (phụ lục 5): Ma trận số tổ hợp sinh học (IBI) cá để đánh giá chất lƣợng nƣớc vùng cửa sông Mã 160 vii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ mạng lƣới sông suối lƣu vực sông Mã 31 Hình 1.2: Sơ đồ vùng nghiên cứu - hạ du sông Mã 33 Hình 1.3: Cơ cấu kinh tế ngành năm 2015 lƣu vực sông Mã 33 Hình 1.4: Sơ đồ khai thác nguồn nƣớc hạ du sông Mã .40 Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc tổng thể dòng chảy tối thiểu 42 Hình 2.1: Diễn biến chuẩn sai nhiệt độ trung bình năm sơng Mã 1961÷2015 .43 Hình 2.2: Diễn biến lƣợng mƣa trung bình năm trạm sơng Mã .44 Hình 2.3: Diễn biến lƣợng mƣa mùa khô trạm sông Mã 45 Hình 2.4: Sơ đồ khai thác bậc thang thủy điện hệ thống sông Mã 47 Hình 2.5: Diễn biến cao độ đáy sơng Mã từ 2008 - 2013 [75] .50 Hình 2.6: Biến động hình thái mặt cắt ngang sơng Chu kè Định Thành [75] 51 Hình 2.7: Lƣu lƣợng ngày trung bình trạm Cửa Đạt - thời kỳ trƣớc sau có hồ 54 Hình 2.8: Lƣu lƣợng ngày trạm Cửa Đạt - thời kỳ trƣớc sau có hồ .54 55 Hình 2.9: Mực nƣớc ngày trung bình trạm Cửa Đạt - thời kỳ trƣớc sau có hồ 55 Hình 2.10: Mực nƣớc ngày trạm Cửa Đạt - thời kỳ trƣớc sau có hồ 55 Hình 2.11: Mực nƣớc ngày trung bình trạm thủy văn Xuân Khánh - thời kỳ trƣớc sau có hồ 56 Hình 2.12: Mực nƣớc ngày trạm Xuân Khánh - thời kỳ trƣớc sau có hồ 56 Hình 2.13: Lƣu lƣợng ngày trung bình trạm Cẩm Thủy - 1980÷2009 2010÷2015 57 Hình 2.14: Lƣu lƣợng ngày trạm Cẩm Thủy - 1980÷2009 2010÷2015 .57 Hình 2.15: Mực nƣớc ngày trung bình trạm Cẩm Thủy - 1980÷2009 2010÷2015 57 Hình 2.16: Mực nƣớc ngày trạm Cẩm Thủy - thời kỳ 1980-2009 2010-2015 58 Hình 2.17: Mực nƣớc ngày trung bình trạm Lý Nhân - thời kỳ 1980÷2009 2010÷2015 58 Hình 2.18: Mực nƣớc ngày trạm Lý Nhân - thời kỳ 1980÷2009 2010÷2015 59 Hình 2.19: Mực nƣớc ngày trung bình trạm Giàng - thời kỳ 1980÷2009 2010÷2015 59 Hình 2.20: Mực nƣớc ngày trạm Giàng - thời kỳ 1980÷2009 2010÷2015 60 Hình 2.21: Sơ đồ bƣớc tính tốn, xác định dịng chảy tối thiểu .63 Hình 2.22: Diện tích sinh thái điểm khảo sát đại diện đoạn sông 67 viii ... cam đoan Luận án tiến sĩ ? ?Nghiên cứu xác định dòng chảy tối thiểu nhằm quản lý bền vững tài nguyên nước vùng hạ du sông Mã? ?? cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu tài liệu luận án trung... 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. .. 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 NGƢỜI HƢỚNG