Nhu cầu nước ngọt cho các hoạt động phát triển kinh tế-xã hội ngày càng tăng gây sức ép lên các dòng sông, đặc biệt ở các nước đang phát triển. Tăng lượng nước sử dụng cho nông nghiệp, công nghiệp, thủy điện, sinh hoạt đô thị cũng đồng nghĩa với việc làm suy giảm hệ thống môi trường sinh thái thể hiện qua việc suy giảm hoặc biến mất các loài động thực vật trong môi trường nước và vùng ven sông hồ (Dudgeon và nnk, 2006).
Cùng với sức ép do tăng dân số, ô nhiễm nguồn nước, phá rừng thì việc xây dựng các công trình trên sông cũng có tác động mạnh đến hệ sinh thái lưu vực sông và vùng lân cận.
Tác động của hệ thống công trình trên sông đến hệ sinh thái xuất hiện ở thượng lưu, trung lưu và hạ lưu các lưu vực sông. Ngoài ra tác động lên hệ sinh thái cửa sông cũng
được nhắc đến khi các công trình chặn các cửa sông lớn làm tắc nghẽn dòng chảy, tàn phá rừng ngập mặn, các vùng đất ướt vùng cửa sông và ven biển.
Theo thống kê của Viện Tài nguyên nước Thế giới thì trong số 106 lưu vực sông lớn của thế giới thì có 46% chịu ảnh hưởng lớn từ các công trình ngăn sông làm thay đổi chế độ dòng chảy. Ở Mỹ và Châu Âu có tới 60-65% số lưu vực sông bị thay đổi dòng chảy do các công trình trên sông gây ra. Tổng dung tích thiết kế của các đập lớn đạt khoảng 6000Km3 sẽđiều tiết một một lượng nước ngọt rất lớn của các lưu vực sông. Nhiều vấn đề của các nước ven sông đang phải đối mặt liên quan đến sự thay đổi về
lưu lượng và chất lượng của các lưu vực sông (WCD, 2000).
Công trình thủy lợi xây dựng trên sông, đặc biệt là các hồ chứa thủy điện thượng có tác động xấu đến chế độ dòng chảy lưu vực sông. Ví dụ như đập Glen Canyon trên sông Colorado, Mỹ làm giảm lưu lượng trung bình tháng 9 trong sông từ khoảng 2000 m3/s xuống còn 700 m3/s và biến đổi lưu lượng ngày đêm do vận hành phát điện phủ đỉnh làm lưu lượng thay đổi khoảng 450m3/s trong ngày. Chế độ vận hành này làm thay đổi mạnh mẽ chếđộ dòng chảy về hạ lưu đập, về lưu lượng, về mực nước, lưu tốc và nhiệt độ của nước tác động mạnh lên hệ thủy sinh sau đập về hạ du. Một số nghiên cứu ở Bắc Mỹ cho thấy việc xây dựng các đập là một trong những nguyên nhân dẫn
đến tuyệt chủng một số loài cá nước ngọt. Ví dụở bang Oklahoma do xây dựng đập đã làm mất đi 55% diện tích cư trú của các loài cá nước ngọt, và nghiên cứu cũng chỉ ra rằng 19% loài cá bị tuyệt chủng là do đập đã chắn mất đường di cư sinh sản.
Hồ Aral vùng Trung Á lớn thứ hai thế giới, việc xây dựng hệ thống công trình tưới cho 3 triệu ha bông đã làm giảm 25% diện tích hồ, tăng độ mặn trong nước hồ lên 4 lần. Thiệt hại về môi trường ước tính khoảng 1.25 đến 2.5 tỉđô la Mỹ hàng năm.
Hiện tại các diễn đàn quốc tế đã nhận thức được rằng công tác quản lý, khai thác nguồn nước trong tương lai phải xem xét đến tác động của hoạt động khai thác nguồn nước đến các hệ sinh thái, môi trường sống của con người vùng ven sông (Bunn và Arthington, 2002).
Hiện tại các tổ chức quốc tế như Hội đập lớn thế giới, Hội đa dạng sinh học, Đối thoại toàn cầu về nước cho lương thực và môi trường đã có các phản hồi đến sức ép lên
nguồn nước lưu vực sông và đã đề xuất phương pháp tiếp cận mới trong quản lý nguồn nước nhằm duy trì lợi ích lâu dài, bền vững của nguồn nước đối với xã hội. Chế độ dòng chảy trong hệ thống sông suối được xem là nhân tố quyết định chủ yếu
đến sự duy trì của hệ sinh thái của dòng sông và các vùng ngập nước ven sông (Bunn và Arthington, 2002). Tùy từng con sông sẽ có các chếđộ dòng chảy riêng biệt với các
đặc thù biến đổi theo dòng chảy, biến đổi theo thời gian cũng như chu kỳ xuất hiện các giai đoạn khô hạn, ngập lũ lớn.
Mỗi đặc trưng dòng chảy trong sông này sẽ tác động biến đổi của lòng dẫn sông suối, biến đổi môi trường sống của hệ sinh thái ven sông, đa dạng sinh học và các yếu tố
liên quan đến sự bền vững của hệ sinh thái ven sông. Và cuối cùng các tác động này sẽ ảnh hưởng đến các chức năng tự nhiên vốn có của dòng sông đã hỗ trợ cho quá trình phát triển của xã hội loài người từ xa xưa như giúp điều tiết lưu lượng dòng chảy lũ, làm sạch chất thải ô nhiễm, làm khu vui chơi giải trí, điều hòa khí hậu vùng lân cận.
1.1. Khoa học công nghệ trong quản lý nguồn nước, môi trường lưu vực sông
Đối với công tác quản lý khai thác sử dụng nguồn nước lưu vực sông từ giữa thế kỷ 20 khoa học công nghệ mô hình toán đã đóng vai trò đặc biệt quan trọng phục vụ các ngành kinh tế. Tiến bộ khoa học công nghệ mô hình toán trong quy hoạch và quản lý nguồn nước có thể xem là một trong những lĩnh vực ứng dụng mô hình toán thành công nhất trong các lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng mô hình toán trên thế giới.
Công nghệ tiên tiến hỗ trợ đắc lực nhất cho quản lý hệ thống nguồn nước, hệ thống công trình khai thác sử dụng nước phải kểđến là hệ thống các mô hình toán mô phỏng hệ thống. Mô hình toán mô phỏng được sử dụng rộng rãi trong quản lý hệ thống nguồn nước có thể chia thành các loại chính gồm mô hình toán tính toán biên dòng chảy đến, mô hình tính cân bằng nước, mô hình tính thủy động lực học môi trường nước, mô hình tính tối ưu hệ thống phân bổ nguồn nước, mô hình tính toán môi trường hệ thống nguồn nước.
1.2. Mô hình toán thủy động lực học, cân bằng nước và tối ưu phân bổ nguồn
nước
Mô hình toán thủy động lực học dòng chảy
Để phục vụ cho bài toán quản lý lũ hệ thống nguồn nước ngoài mô hình tính toán biên dòng chảy đến thì mô hình thủy động lực học tính toán truyền sóng lũ trên cơ sở
phương trình Saint-Venant đã được phát triển khá rộng rãi và đã đem lại hiệu quả thiết thực trong công tác quy hoạch và quản lý dòng chảy lũ. Mô hình thủy động lực học với đầu vào chính là các diến biến quá trình dòng chảylũ từ thược nguồn theo các phương án, kịch bản lũ sẽ tính toán dự báo diễn biến lưu lượng, mực nước tại các vị trí khống chế phục vụ công tác phòng chống lũở hạ lưu. Một số mô hình toán thông dụng trong tính toán thủy động lực đã được phát triển và đưa vào ứng dụng phổ biến có thể
kể đến như các mô hình của Việt Nam gồm VRSAP, SAL, KOD, TL_VC, các mô hình nước ngoài như SOBEK, ISIS, WENDY và bộ mô hình MIKE do Viện Thủy lực
lực học phục vụ nhiều mục đích khác nhau như tình toán thủy lực mạng lưới sông và vùng ngập lũ gồm các mô hình 1 chiều, 2 chiều và 3 chiều, tính toán cho vùng ven biển & cửa sông, vùng ven bờ, tính toán thủy động lực học hệ thống hồ chứa, hệ thống tiêu thoát nước đô thị và mô phỏng hệ sinh thái nguồn nước (sẽđược trình bày chi tiết
ở phân tiếp theo).
Ngoài việc tính toán phục vụ quản lý lũ, mô hình thủy động lực học cũng được sử
dụng phục vụ cho bài toán vận hành hệ thống công trình phục vụ cấp nước bằng diễn toán quá trình dòng chảy trong sông và hệ thống lấy nước vùng hạ du (trạm bơm, cống tự chảy, đập dâng …) để kiểm tra khả năng cấp của hệ thống, cũng như khả năng vận hành các cống, trạm bơm…. có thể lấy đủ nước vào trong các hệ thống sử dụng nước hay không.
Mô hình cân bằng nước, mô hình tối ưu vận hành phân bổ nguồn nước
Đối với bài toán cấp nước cho các mục tiêu sử dụng loại mô hình toán thông dụng phải kể đến là mô hình cân bằng nước và mô hình phân bổ tối ưu nguồn nước. Mục tiêu sử
dụng ở đây có thể hiểu bao gồm cấp nước sinh hoạt, công nghiệp, tưới, giao thông thủy, phát điện, môi trường.
Hệ thống các mô hình cân bằng nước thông dụng trong quy hoạch và quản lý nguồn nước bao gồm các mô hình MITSIM, RESSIM (Mỹ), MIKE BASIN (Đan Mạch), IQQM (Úc), RIBASIM (Hà Lan). Mô hình cân bằng nước tính toán cân bằng nước tại các nút sử dụng nước theo thứ tự từ thượng du. Có thể nói mô hình cân bằng nước là loại mô hình thông dụng nhất trong tính toán quy hoạch nguồn nước cho đến nay (Wurb, 1996). Ngoài những mô hình cân bằng nước trên thì cũng đã có các mô hình cân bằng nước đã được phát triển, ứng dụng riêng cho đặc thù từng lưu vực riêng biệt như mô hình CALSIM của Mỹ, với loại mô hình đặc thù này thì ngoài khả năng tính toán cân bằng nước, nhiều khả năng riêng biệt đã được đưa vào trong tính toán ví dụ
như phép giải tối ưu hệ thống phân bổ nguồn nước – tuy vậy khả năng ứng dụng loại mô hình này cho các lưu vực khác thường gặp nhiều khó khăn do cần thiết chỉnh sửa bổ sung nhiều trong mã nguồn để có thể thích ứng với trường hợp ứng dụng cụ thể
mới.
Hai loại mô hình toán thủy động lực học, cân bằng nước nhưđã trình bày ở trên thuộc loại mô hình toán mô phỏng. Mô hình toán mô phỏng có khả năng cho biết Hệ thống sẽ phản hồi như thế nào theo các kịch bản đề ra? tuy vậy mô hình toán mô phỏng không thể trả lời câu hỏi Vậy hệ thống phản hồi như vậy đã tốt nhất hay chưa? mô hình toán tối ưu sẽ trả lời cho câu hỏi này (Hillier và Liebeman, 2001, Mays và Tung, 1992, Helweg và Labadie, 1977).
Tối ưu hệ thống đã được chú ý nghiên cứu và phát triển từ khá lâu, khá quen thuộc; có thể kể đến tối ưu tuyến tính, tối ưu động, tối ưu phi tuyến, lý thuyết trò chơi, chuỗi Markov. Cùng với các lý thuyết tối ưu đã được phát triển thì các phương pháp giải toán, cũng như các công cụ máy tính hỗ trợ giải bài toán tối ưu đã được tập trung nghiên cứu phát triển mạnh trên thế giới.
Hai phương pháp tối ưu được nhắc đến nhiều nhất là tối ưu tuyến tính và tối ưu động (Bellman, 1957, Yakowits, 1982), các ứng dụng cụ thể của hai phương pháp này đã
được ghi chép và xuất bản nhiều trong thời gian qua. Lý thuyết tuyến tính cho phép mô tả bài toán tối ưu với các ràng buộc và hàm mục tiêu có dạng tuyến tính, trong khi
tối ưu động yêu cầu các quá trình tối ưu thường có dạng đơn giản phải được phân đoạn thành các giai đoạn, tại các giai đoạn biến tối ưu nhận các trạng thái riêng biệt. Một số ứng dụng cụ thể có thể kể đến như nghiên cứu của Young trong vận hành hồ chứa (Young, 1967), nghiên cứu vận hành hệ thống liên hồ chứa cho lưu vực sông Gunpowder River, Baltimore, Mỹ (Karamouz và nnk, 1992).
Tuy vậy để đáp ứng được yêu cầu của thực tiễn đòi hỏi các quá trình cần được mô tả
thường rất phức tạp, là các quá trình liên tục và hầu như hoàn toàn phi tuyến dẫn đến khó khăn khi đưa vào ứng dụng lý thuyết tối ưu tuyến tính và tối ưu động. Yêu cầu đặt ra là phải đưa vào ứng dụng lý thuyết tối ưu phi tuyến – đây là một hướng nghiên cứu rất rộng, thu hút giới khoa học thế giới trong nhiều thập kỷ gần đây.
Đến nay lý thuyết tối ưu phi tuyến đã được phát triển mạnh, có khả năng giải được hầu hết các bài toán của thực tiễn đề ra. Một số công cụ giải bài toán phi tuyến đã được phát triển khá hoàn chỉnh như LINGO, GAMS, CALSIM, PERL. Cụ thể phục vụ cho quản lý nguồn nước một số công cụ đã được phát triển như MIKE BASIN OPTIMISATION, RESSIM….. CALSIM được phát triển bởi Cục tài nguyên nước bang Califonia, Mỹ nhằm phục vụ cho hệ thống nguồn nước vùng Califonia (Munevar và Chung, 1999), trong khi các công cụ khác MIKE BASIN OPTIMISATION, RESSIM là các phần mềm được thiết kế cho các hệ thống nguồn nước nói chung. Hệ
thống các công cụ mô hình toán thiết kế cho chung hệ thống nguồn nước, hoặc thiết kế
riêng cho một hệ thống nguồn nước cụ thể đã được đưa vào ứng dụng thành công trong nhiều nghiên cứu tuy vậy khi đưa vào ứng dụng các công cụ này thông thường người sử dụng cần có các bước xử lý, đơn giản hóa hệ thống mô phỏng để “vừa” với khả năng của công cụ (thường đã được cốđịnh).
Để giải quyết điểm tồn tại này thì các công cụ như LINGO, GAMS, CALSIM, PERL
được triển khai ứng dụng khá rộng rãi trong quy hoạch và quản lý nguồn nước. Thực chất đây là hệ thống các ngôn ngữ máy tính có khả năng xây dựng mô hình toán kết nối với bộ thư viện các công cụ giải bài toán tối ưu hệ thống. Mặc dù phải tốn công sức phát triển bộ mã chương trình máy tính mô hình nhưng các công cụ này cho phép người sử dụng mô tả chi tiết các đặc thù của hệ thống cần mô phỏng do vậy các ứng dụng của các công cụ như LINGO, GAMS, CALSIM, PERL được phát triển rộng khắp trên toàn thế giới trong đó có các ứng dụng quy hoạch và quản lý nguồn nước. Theo đánh giá của hai tác giả Mays và Tung thì GAMS là một trong những công cụ
hữu hiệu nhất để giải bài toán vận hành phân bổ tối ưu nguồn nước (Mays và Tung, 1992).
1.3. Công nghệ mô phỏng môi trường nguồn nước
Mặc dù đi sau các loại mô hình toán thủy động lực học, cân bằng nước, tối ưu nguồn nước nhưng do yêu cầu cấp thiết của thực tế môi trường đang bị xuống cấp trầm trọng nên trong thời gian qua các nghiên cứu về mô hình hóa hệ thống môi trường, đặc biệt là môi trường nước được phát triển rất nhanh. Thông dụng nhất có thể kểđến hệ thống các mô hình QUAL2E của Mỹ từ việc mô tả diễn biến lan truyền chất ô nhiễm trong môi trường nước ở trạng thái ổn định, đến các mô hình tính toán diễn biến chất lượng nguồn nước trong tầng ngầm.
quá trình chuyển tải chất ô nhiễm cho chế độ dòng chảy không ổn định đã giúp mô tả
chính xác hơn diễn biến các quá trình ô nhiễm trong môi trường dòng chảy trong sông, ví dụ như các mô hình toán MIKE 11, SOBEK, ISIS.
Gần đây hệ thống các mô hình toán mô tả hệ thống môi trường nguồn nước đã được giới thiệu có khả năng mô tả chi tiết các quá trình biến đổi hóa học, sinh học trong môi trường nước như các mô hình AQUATOX của Mỹ (Cục Môi trường Mỹ, 2000), ECOLab của Đan Mạch. Mô hình toán AQUATOX của Cục môi trường Mỹ có khả
năng mô tả quá trình biến đổi sinh hóa trong môi trường nước hồ chứa đã được sử
dụng nhiều, đặc biệt cho khu vực Bắc Mỹ.
Đại học Saitama (Nhật Bản) trong nghiên cứu định lượng chu trình dinh dưỡng, quá trình tự làm sạch của đất ướt đã phát triển bộ mô hình toán tính toán diễn biến môi trường nguồn nước xác định phản hồi của hệ thực vật thủy sinh đối với nguồn chất thải và khả năng tự làm sạch của hệ thủy sinh. Nghiên cứu đã định lượng hiệu suất làm sạch của hệ thực vật thủy sinh đối với chất ô nhiễm hữu cơ (Nitơ, phốt pho), cũng như
quá trình phát triển của hệ thực vật trong môi trường nước (Nam và Asaeda, 2001, Nam và nnk, 2001a,b, Asaeda và Nam, 2002, Asaeda và nnk, 2002, Nam và nnk, 2002, Nam, 2002).
Mô hình ECOLab của Viện DHI land & water là một hệ thống mô hình toán mở có