WEAP (The Water Evaluation and Planning System) - Hệ thống đánh giá và quản lý nguồn nước. Là sản phẩm của Viện Nghiên Cứu Môi trường Stockholm có trụ sở ở Boston (Mỹ) (SEL - Boston: Stockholm Environment Institute - Boston) nghiên cứu và phát triển. Phần mềm WEAP cho phép tải miễn phí sử dụng và gia hạn khóa phần mềm trong vòng 1 năm đối với mục đích sử dụng cho nghiên cứu và học tập. Cập nhật phiên bản mới nhất sử dụng trong luận văn này là Version: 3.22, October 31, 2011. Phần mềm WEAP tính toán nhu
cầu dùng nước dựa trên nguyên lý cơ bản của tính toán cân bằng nước. Thành phần cung cấp nước có thể là các dòng chảy mặt, kho nước ngầm, các hồ chứa nước hay từ các lưu vực khác. Thành phần sử dụng nước là các khu đô thị, khu công
nghiệp, các khu tưới cho nông nghiệp... có tính đến các điều kiện thực tế như việc tái sử dụng nước, dòng chảy môi trường, năng suất máy móc, chi phí và việc phân phối ưu tiên và sử dụng tài nguyên nước.
Với khả năng lập kịch bản và tính toán nhu cầu nước WEAP là một công cụ rất mạnh trong việc lựa chọn hướng phát triển và đề xuất các chiến lược quản lý tài nguyên nước trong lưu vực. Sử dụng WEAP có thể quản lý tài nguyên nước ở đô thị cũng như nông thôn, cho một lưu vực nhỏ hay cả một hệ thống sông, Hơn nữa WEAP còn có nhiều tính năng khác như phân tích nhu cầu sử dụng nước cho các ngành kinh tế, phân phối ưu tiên sử dụng nước, mô phỏng sự hoạt động của các nguồn cung cấp nước (dòng chảy mặt, kho nước ngầm, hồ chứa ...), theo dõi ô nhiễm và nhu cầu sinh thái của từng vùng. Ngoài ra, phần mềm này còn có thể phân tích và tính toán kinh tế các dự án quản lý tài nguyên nước.
Cấu trúc của Weap: WEAP bao gồm 5 thành phần (khung làm việc) chính gồm: Schematic, Data, Results, Scenario Explorer và Notes.
Schematic: đây là bước đầu tiên khi thiết lập ứng dụng mô hình WEAP, khung này chứa đựng các công cụ GIS cơ bản cho phép xây dựng hệ thống các đối tượng một cách dễ dàng. Ví dụ như các nút nhu cầu
(Demand nodes), các hồ chứa (reservoirs) có thể được tạo và định vị bên trong hệ thống bằng việc kéo và thả các đối tượng từ menu.
Chương trình có thể kết nối với ArcView hay các dạng file GIS tiêu chuẩn vector hay raster làm lớp nền.
Data: Khung dữ liệu cho phép đưa các dữ liệu đầu vào cho mô hình bao gồm nhu cầu nước, thông số công trình, nước dưới
đất ....tạo các biến và các mối quan hệ thông qua một loạt các hàm cho trước hoặc nhập tay các thuộc tính dữ liệu đầu vào cho mô hình một cách linh động.
Results: Khung kết quả cho phép trình bày chi tiết và linh hoạt tất cả các dạng kết quả, ở dạng biểu đồ và bảng, và trên sơ đồ.
Scenario Explorer: Khung Scenario Explorer cho phép phân tích lựa chọn xây dựng các kịch bản tính toán cân bằng nước dựa trên kịch bản nền hay phân tích đánh giá kết quả tính toán cân bằng nước với việc thay đổi các dữ liệu đầu vào một cách nhanh chóng và trực quan.
Notes: Khung ghi chú cung cấp một không gian để người sử dụng đưa vào toàn bộ các chú thích, dẫn giải về quá trình xây dựng và tính toán với mô hình WEAP.
b. Tiếp cận mô hình WEAP
WEAP là công cụ tổng họp các vấn đề tài nguyên nước trong lĩnh vực thành một thể thống nhất. Đó là sự kết hợp giữa nhu cầu sử dụng nước với việc cung cấp nước, số lượng nước vói chất lượng nước, phát triển kinh tế bảo vệ môi trường.
Phân tích kịch bản là một trong những tính năng rất mạnh của WEAP. Đầu tiên, người sử dụng phải tạo được hiện trạng của lưu vực nghiên cứu. Sau đó dựa trên sự thay đối cơ cấu kinh tế, thủy văn, công nghệ của khu vực mà lập ra một kịch bản cho tương lai của khu vực đó, được gọi là kịch bản tham khảo (Reeference Scenario). Người sử dụng có thể phát triển theo một hay nhiều hướng kịch bản khác nhau về sự phát triển trong tương lai.
Kịch bản trong mô hình có thể đề cập tới nhiều vấn đề bằng việc đặt ra các câu hỏi nghi vấn. Ví dụ như: Việc gì sẽ xảy ra nếu dân số tăng nhanh và kinh tế thay đổi? Việc gì xảy ra nếu quy trình vận hành của hồ chứa thay đổi, nguồn nước ngầm bị khai thác mạnh, nhu cầu sinh thái nước đang trở nên cấp bách? Việc phát hiện ra một nguồn ô nhiễm nước mới. Nếu chương trình tái sử dụng nước được thực hiện thì sao? Nếu cơ cấu cây trồng thay đổi thì nhu cầu dùng nước sẽ thay đổi như thế nào? Có đảm bảo cấp nước hay không?....
Các kịch bản trên có thể được phân tích, tính toán cùng nhau và cho ra kết quả rất tường minh, dễ dàng cho việc so sánh, đánh giá hệ thống tài nguyên nước của khu vực nghiên cứu.
WEAP là công cụ có khả năng thể hiện những hiệu quả của việc quản lý nhu cầu sử dụng nước của hệ thống tài nguyên nước. Nhu cầu sử dụng nước tùy thuộc vào những mục đích sử dụng khác nhau hoặc cung cấp nước cho những ngành kinh tế khác nhau. Ví dụ, việc cung cấp nước cho ngành nông nghiệp phụ thuộc vào loại cây trồng, điều kiện tưới, kỹ thuật tưới việc cung cấp nước cho sinh hoạt đô thị phụ thuộc vào mỗi quốc gia, thành phố hoặc tùy thuộc vào từng khu sử dụng nhỏ lẻ. Việc cung cấp nước cho sản xuất công nghiệp phụ thuộc vào chính vào các ngành công nghiệp. Ngoài ra, việc ưu tiên phân phối nước cho các thành phần sử dụng nước cũng được đề cập tới trong mô hình.
c. Khả năng của mô hình WEAP
WEAP là công cụ mô phỏng hệ thống tài nguyên nước mặt và nước ngầm, dựa trên nguyên lý cân bằng cơ bản của việc tính toán cân bằng nước, có thể tính toán cho cả nguồn cung cấp lẫn sử dụng. Người sử dụng có thể thay đổi kịch bản sử dụng, cung cấp, ô nhiễm, đưa ra một chiến lược quản lý. WEAP được thiết kế nhờ một công cụ so
sánh. Trường hợp cơ bản được phát triển, lựa chọn kịch bản đã tạo ra và so sánh vói kịch bản đó.
Tính toán cân bằng nước cho lưu vực trong đó có xét đến hiện trạng lưu vực và xây dựng các kịch bản trong tương lai, trợ giúp đắc lực cho công việc qui hoạch và quản lý tài nguyên nước.
Tính toán các quá trình lan truyền ô nhiễm nước trong đó có xét đến các công trình xử lý.
Tính toán công suất phát điện của các nhà máy thủy điện.
Tính toán thủy văn thông qua các mô hình như Mưa rào- dòng chảy, truyền ẩm, mô phỏng mối quan hệ giữa nước ngầm và nước mặt.
Tính toán hiệu quả kinh tế, lựa chọn mô hình phân phối nước hiệu quả cho các ngành dùng nước khác nhau trong lưu vực.
d.Sử dụng mô hình WEAP Dữ liệu đầu vào
Tuỳ theo bài toán cụ thể mà các yêu cầu của số liệu đầu vào sẽ được nhập tương ứng. Các yếu tố mô phỏng như sau:
Mô phỏng các sông và nhánh sông
Mô phỏng các nhu cầu dùng nước của các ngành Yêu cầu về dòng chảy môi trường
Mô phỏng hồ chứa và các yếu tố khác
Các yếu tố mô phỏng được liên kết với nhau thông qua Transmission Link và Return Flow.
Mô hình hoá lưu vực nghiên cứu
Để mô hình hoá lưu vực nghiên cứu trước tiên cần: Tạo lưu vực (Area - Create area)
Chọn khoảng thời gian nghiên cứu và thời đoạn tính toán (General-Years and Time Steps)
Đặt đơn vị cho các đại lượng tính toán (General - Units)
Thực hiện xong các bước trên mới tiến hành xây dựng mạng lưới và vào dữ liệu. Nhập sổ liệu cho WEAP
Với các nhánh sông cần nhập số liệu dòng chảy tháng trung bình nhiều năm (Supply and Resources-River)
Về nhu cầu dùng nước
+ Nhập tổng lượng nước dùng (Annual Water use Rate)
+ Nhập lượng nước dùng cho từng tháng dưới dạng % (Monthly variation) + Nhập số liệu về phần trăm lượng nước hồi quy trở lại sông (Return flow) và tỷ lệ nước không bị thất thoát của lượng hồi quy này (Consumption)
Số liệu về dòng chảy môi trường tối thiểu để duy trì sinh thái sông (Rivers Flow Requirements^- Envi)
Số liệu về hồ chứa cần nhập các thông tin sau: + Năm hồ chứa được xây dựng (startup year)
+ Dung tích lớn nhất + Dung tích hiệu dụng + Dung tích chết + Đường đặc trưng của hồ
Với các đối tượng khác (nếu có mô phỏng trong hệ thống) việc vào dữ liệu hoàn toàn tương tự và có thể thực hiện dễ dàng trên cửa sổ làm việc Dataview.
e. Phương pháp tính toán
Tất cả các thao tác tính toán trong mô hình đều dựa trên nguyên lý cân bằng nước.
f. Kết quả
Hoàn thành việc nhập dữ liệu ta chọn Result View, WEAP sẽ chạy mô hình mô phỏng theo thời đoạn tháng và ra kết quả cho tất cả các thành phần hệ thống của khu vực nghiên cứu bao gồm: nhu cầu nước của nơi sử dụng, mức độ cung cấp được, dòng chảy, thoả mãn nhu cầu dòng chảy đến, dung tích hồ chứa
Kết quả tính toán có thể hiển thị dưới dạng bảng (Table), biểu đồ (Chart) hoặc bản đồ (Map).
4.2. Áp dụng mô hình WEAP cho tỉnh Hà Tĩnh 4.2.1. Mô hình hóa hệ thống sông
Dựa vào các công cụ của mô hình WEAP mô hình hóa hệ thống sông, hồ chứa và các nhu cầu sử dụng cho các khu công nghiệp, nông nghiệp như hình 4-1
Hình 4-1: Hệ thống sông chính, hồ chứa và các điểm nhu cầu cần nước tại Hà Tĩnh a. Số liệu sông ngòi và hồ chứa:
- Số liệu dòng chảy trên các sông: Dựa vào lưu lượng dòng chảy trung bình tháng nhiều năm của các sông Ngàn Phố, Ngàn Sâu, Ngàn Trươi và sông La nhập dữ liệu vào mô hình WEAP, kết quả được như ở bảng (4-2) và hình (4-3)
Bảng 4-2:lưu lượng dòng chảy tháng trung bình nhiều năm trên các sông (m3/s)
Sông 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
La 87.9 67.6 28.3 66.8 99.4 98 89.9 128.8 351.5 481.5 261.2 134.3 Ngan Pho 28.7 22.7 18.7 19.8 32.4 32.7 29.1 41.4 108.2 127.1 73.7 40.7 Ngan Sau 59.2 44.9 39.6 47 67 65.3 60.8 87.4 243.8 354.4 187.5 93.6 Ngan Truoi 27.1 28.4 21.6 18.1 21.7 20.3 22.9 29.7 55.6 73.3 49.3 41.3
Hình 4-3: Biểu đồ lưu lượng dòng chảy tháng trung bình nhiều năm tại các sông (m3/s)
- Dữ liệu hồ chứa: Trong khu vực nghiên cứu của đồ án có Hồ Ngàn Trươi đang được xây dựng trên sông Ngàn Trươi, là dự án trọng điểm Quốc gia, đa mục tiêu, dự kiến hoạt động vào năm 2015 với số liệu như sau được liệt kê ở bảng 4-4
Bảng 4-4: Dữ liệu hồ chứa Ngàn Trươi
Mực nước dâng bình thường m + 52,00
Mực nước lớn nhất thiết kế m + 54,56
Mực nước lớn nhất kiểm tra m + 55,52
Mực nước chết m + 25,00
Dung tích toàn bộ 106m3 932,70
Dung tích hữu ích 106m3 704,00
Dung tích phòng lũ 106m3 157,00
Dung tích chết 106m3 71,70
b. Dữ liệu đầu vào các note nhu cầu cho sinh hoạt nông nghiệp, công nghiệp và chăn nuôi
Trong phạm vi của đồ án, sinh viên không thu thập được số liệu phân vùng tưới, nhu cầu sử dụng nước chi tiết cho các khu vực thành thị, nông thôn nên đã phân các note đó thành các huyện, thị xã và thành phố khác nhau để tính toán. Số liệu đầu vào các ngành đã được liệt kê ở chương 3.
Trong quá trình tính toán, sinh viên chỉ thu thập được số liệu các ngành trong tỉnh Hà Tĩnh năm 2012 nên coi như năm 2012 là năm hiện tại. Sử dụng mô hình WEAP để tính toán cân bằng nước cho tỉnh Hà Tĩnh trong khoảng thời gian từ 2012 đến năm 2020.
4.2.2. Tính toán cân bằng nước cho hiện tại
a. Nhu cầu nước sử dụng
Lượng nước cần sử dụng trong năm 2012 được thể hiện ở bảng4-5, biểu đồ hình 4-6 và hình 4-7
Bảng 4-5: Nhu cầu nước dùng tỉnh Hà Tĩnh năm 2012(đơn vị: triệu m3)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 NN_CanLoc 14.7 14.7 14.7 14.7 14.7 29.4 29.4 14.7 0.0 0.0 0.0 0.0 NN_DucTho 9.0 9.0 9.0 9.0 9.0 18.0 18.0 9.0 0.0 0.0 0.0 0.0 NN_HongLinh 2.2 2.2 2.2 2.2 2.2 4.4 4.4 2.2 0.0 0.0 0.0 0.0 NN_HuongKhe 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 10.1 10.1 5.0 0.0 0.0 0.0 0.0 NN_HuongSon 6.9 6.9 6.9 6.9 6.9 13.8 13.8 6.9 0.0 0.0 0.0 0.0 NN_NghiXuan 3.8 3.8 3.8 3.8 3.8 7.6 7.6 3.8 0.0 0.0 0.0 0.0 NN_VuQuang 8.9 8.9 8.9 8.9 8.9 17.8 17.8 8.9 0.0 0.0 0.0 0.0 SH_CanLoc 3.1 3.1 3.1 3.1 3.1 3.8 3.8 3.1 3.1 3.1 3.1 3.1 SH_DucTho 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 3.1 3.1 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 SH_HuongKhe 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 3.0 3.0 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 SH_HuongSon 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8 3.5 3.5 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8 SH_NghiXuan 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 2.9 2.9 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 All Others 3.1 3.0 3.1 3.1 3.1 3.5 3.5 3.1 3.1 3.1 3.1 3.1 Sum 66.7 66.5 66.7 66.6 66.7 120.8 120.8 66.7 16.1 16.2 16.1 16.2
Hình 4-6: Biểu đồ nhu cầu sử dụng nước tỉnh Hà Tĩnh năm 2012
Hình 4-7: Biểu đồ thể hiện nhu cầu dùng nước khác nhau của các huyện, thành phố, thị xã
b. Tính toán cân bằng nước cho hiện tại
Bảng 4-8:Kết quả tính toán cân bằng nước cho hiện tại 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Tổng NN_HongLinh 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NN_HuongKhe 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NN_HuongSon 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NN_NghiXuan 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NN_VuQuang 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 SH_CanLoc 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 SH_DucTho 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 SH_HongLinh 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 SH_HuongKhe 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 SH_HuongSon 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 SH_NghiXuan 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 SH_VuQuang 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 All Others 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tổng 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
4.2.3. Tính toán cân bằng nước cho tương lai
a. Nhu cầu nước sử dụng:
Kết quả của mô hình được thể hiện ở bảng 4-7 và biểu đồ hình 4-8
Bảng 4-9: Nhu cầu sử dụng nước toàn tỉnh Hà Tĩnh trong tương lai
2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 Tổng CN_VungAng 17.9 24.2 30.0 36.0 42.8 51.0 61.2 74.0 90.0 426.9 NN_CanLoc 146.8 141.0 135.4 130.1 125.0 120.1 115.4 110.8 106.5 1131.1 NN_DucTho 90.0 85.5 81.2 77.2 73.4 69.7 66.3 63.0 59.8 666.0 NN_HuongKhe 50.4 48.4 46.5 44.6 42.9 41.2 39.5 38.0 36.5 387.9 NN_HuongSon 68.8 66.2 63.6 61.2 58.8 56.6 54.4 52.3 50.3 532.1 NN_NghiXuan 37.9 36.7 35.5 34.4 33.3 32.2 31.2 30.2 29.2 300.6 NN_VuQuang 89.1 93.4 98.0 102.8 107.8 113.1 118.7 124.5 130.7 978.1 SH_CanLoc 38.4 39.6 40.7 42.0 43.2 44.5 45.9 47.2 48.6 390.1 SH_DucTho 31.2 32.1 33.1 34.1 35.1 36.2 37.3 38.4 39.5 317.0 SH_HuongKhe 30.3 31.2 32.1 33.1 34.1 35.1 36.2 37.3 38.4 307.8 SH_HuongSon 34.5 35.5 36.6 37.7 38.8 40.0 41.2 42.4 43.7 350.5 SH_NghiXuan 28.8 29.7 30.6 31.5 32.4 33.4 34.4 35.4 36.5 292.6 All Others 42.0 42.0 42.2 42.4 42.7 43.0 43.3 43.6 44.0 385.2 Tổng 706.0 705.5 705.6 707.1 710.3 716.0 724.7 737.1 753.7 6466.0
Hình 4-10: Nhu cầu sử dụng nước trong tương lai tỉnh Hà Tĩnh b. Tính toán cân bằng nước cho tương lai
Kết quả của mô hình được thể hiện ở bảng 4-11 và biểu đồ hình 4-12
Bảng 4-11: Kết quả tính toán cân bằng nước cho tương lai( đơn vị: triệu m3)
2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 NN_HongLinh 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NN_HuongKhe 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NN_HuongSon 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NN_NghiXuan 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NN_VuQuang 0 0 0 9.3 0 0 0 0 0 SH_CanLoc 0 0 0 0 0 0 0 0 0 SH_DucTho 0 0 0 0 0 0 0 0 0 SH_HongLinh 0 0 0 0 0 0 0 0 0 SH_HuongKhe 0 0 0 0 0 0 0 0 0 SH_HuongSon 0 0 0 0 0 0 0 0 0 SH_NghiXuan 0 0 0 0 0 0 0 0 0 SH_VuQuang 0 0 0 0.7 0 0 0 0 0 Tổng 0 0 0 10 0 0 0 0 0
CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC TỈNH HÀ TĨNH