6. Bố cục luận văn
2.3.2. Công cụ tính toán
Bài toán phân bổ tài nguyên nước là một trong những đề tài được các nhà nghiên cứu quan tâm trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Để giải quyết bài toán đó, một trong những công cụ trợ giúp đắc lực trong nghiên cứu phân bổ đó là mô hình toán thủy văn bao gồm mô hình tối ưu như: GAMS, RAM-V, Crystal Ball,… và mô hình mô phỏng như: MITSIM, WUS, MIKE-BASIN, WEAP,… Các mô hình này đều được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới, đều có khả năng tính toán cân bằng nước hệ thống tốt, thời gian tính toán nhanh, tuy nhiên, chỉ có mô hình WEAP có chức năng đánh giá lợi ích kinh tế từ các hoạt động sử dụng nước trên lưu vực.
Luận văn lựa chọn mô hình WEAP để tính toán bởi WEAP là công cụ tổng hợp các vấn đề tài nguyên nước: nhu cầu sử dụng nước với việc cung cấp nước, số lượng nước với 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. Trên cơ sở hiện trạng của khu vực nghiên cứu, dựa trên sự thay đổi cơ cấu kinh tế, thủy văn và tiến độ khoa học công nghệ của khu vực để lập ra một hay nhiều kịch bản cho tương lai của khu vực đó. Từ đó, lựa chọn ra một phương án tối ưu nhất cho mục đích sử dụng của khu vực 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.
a. Tổng quan về phần mềm WEAP
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 nhiều 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
Phầm 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 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 (lược đồ), Data (dữ liệu), Results (kết quả), Scenario Explorer (kịch bản) và Notes (ghi chú).
Schematic: Khung sơ đồ 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 từ các file có dạng vectơ hay rastơ.
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 …
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 kịch bản 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 hợp 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 với 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, tiến độ của 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.
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 với 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 quy 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. Cách sử dụng WEAP
WEAP hoạt động dựa trên nguyên lý cơ bản của cân bằng nước cho mỗi nút và nhánh trong hệ thống theo khoảng thời gian hàng tháng. Nước được phân phối để
đáp ứng nhu cầu môi trường, nhu cầu tiêu hao nước, tùy thuộc vào mức ưu tiên cấp nước, các ràng buộc hệ thống.
WEAP hoạt động trên khoảng thời gian hàng tháng. Mỗi tháng là độc lập với tháng trước nó, ngoại trừ khả năng trữ nước ở tầng ngậm nước ngầm và hồ chứa. Như vậy, tất cả lượng nước vào hệ thống trong một tháng (ví dụ, dòng chảy thượng lưu, dòng chảy vào sông chính) hoặc là (1) lưu trữ trong hồ chứa, tầng nước ngầm, lưu vực, hoặc là (2) rời khỏi hệ thống vào cuối tháng này (ví dụ, dòng chảy cửa sông, nhu cầu tiêu hao nước, lượng bốc hơi trên sông hoặc hồ chứa nước, đường lấy nước, dòng chảy hồi quy). Bởi vì khoảng thời gian tính toán tương đối dài (hàng tháng) nên tất cả các dòng chảy được giả định là xuất hiện ngay lập tức. Do đó, một nút nhu cầu có thể lấy nước từ sông, tiêu thụ một phần, trả lại phần còn lại cho một nhà máy xử lý nước thải và chảy về sông. Dòng chảy hồi quy này có thể được sử dụng trong cùng một tháng bởi nhu cầu hạ lưu.
Trong mỗi tháng, WEAP thực hiện các tính toán theo thứ tự:
1. Yêu cầu nước hàng năm, hàng tháng cho mỗi nút nhu cầu và dòng chảy môi trường; lượng bốc thoát hơi nước tiềm năng trên lưu vực, dòng chảy và thấm xuống nước ngầm, giả sử không có dòng chảy tưới tiêu.
2. Dòng chảy vào, dòng chảy ra cho mỗi nút và nhánh trong hệ thống. Quy trình này tính toán lượng nước lấy từ các nguồn cung cấp để đáp ứng nhu cầu, điều tiết hồ chứa bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính với mục tiêu là tối ưu hóa khả năng thỏa mãn nhu cầu nước của các nút và nhu cầu nước môi trường, tùy thuộc vào mức ưu tiên cấp nước, cân bằng hệ thống và các hạn chế khác.
2.4. Phương pháp nghiên cứu