2.1. Giới thiệu mơ hình WEAP
2.1.1. Tổng quan v ph n E
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 vịng 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 tốn nhu cầu dùng nước dựa trên nguyên lý cơ bản của tính tốn 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 nơng nghiệp… có tính đến các điều kiện thực tế như việc tái sử dụng nước, dòng chảy mơi 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 tốn 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
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 cịn có thể phân tích và tính tốn 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 mơ 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 mơ hình bao gồm nhu cầu nước, thơng số cơng 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 mơ 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 tốn cân bằng nước dựa trên kịch bản nền hay phân tích đánh giá kết quả tính tốn 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 q trình xây dựng và tính tốn với mơ hình WEAP.
2.1.2. Ti p c n h nh E
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 mơi
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 mơ 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 ơ 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 khơng?....
Các kịch bản trên có thể được phân tích, tính tốn 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 cơng nghiệp phụ thuộc vào chính vào các ngành cơng nghiệp. Ngồi ra, việc ưu tiên phân phối nước cho các thành phần sử dụng nước cũng được đề cập tới trong mơ hình.
2.1.3. Kh n ng c a h nh E
- 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 tốn cân bằng nước, có thể tính tốn 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 tốn 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 tốn các q trình lan truyền ơ nhiễm nước trong đó có xét đến các cơng trình xử lý.
- Tính tốn cơng suất phát điện của các nhà máy thủy điện.
- Tính tốn thủy văn thơng qua các mơ hình như Mưa rào- dịng chảy, truyền ẩm, mô phỏng mối quan hệ giữa nước ngầm và nước mặt.
- Tính tốn hiệu quả kinh tế, lựa chọn mơ hình phân phối nước hiệu quả cho các ngành dùng nước khác nhau trong lưu vực.
2.1.4. d ng h nh E (1) Dữ liệu đ u vào (1) Dữ liệu đ u 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 - u cầu về dịng chảy mơi 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.
(2) M h nh hoá lưu vực nghiên cứu
- Chọn khoảng thời gian nghiên cứu và thời đoạn tính tốn (General→Years and Time Steps)
- Đặt đơn vị cho các đại lượng tính tốn (General→Units)
- Thực hiện xong các bước trên mới tiến hành xây dựng mạng lưới và vào dữ liệu.
(3) Nh p s liệu cho WEAP
Việc nhập số liệu cụ thể như sau:
- Với các nhánh sơng cần nhập số liệu dịng 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 khơng bị thất thốt của lượng hồi quy này (Consumption)
- Số liệu về dịng chảy mơi trường tối thiểu để duy trì sinh thái sông (River→ 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 mơ phỏng trong hệ thống) việc vào dữ liệu hồn tồn tương tự và có thể thực hiện dễ dàng trên cửa sổ làm việc Dataview.
(4) hương pháp tính tốn
Tất cả các thao tác tính tốn trong mơ hình đều dựa trên nguyên lý cân bằng nước.
(5) t qu
Hoàn thành việc nhập dữ liệu ta chọn Result View, WEAP sẽ chạy mơ hình mơ 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 tốn có thể hiển thị dưới dạng bảng (Table), biểu đồ (Chart) hoặc bản đồ (Map).
2.2. Phân vùng tính cân bằng nƣớc
2.2.1. Quan điểm, ngun tắc phân vùng tính tốn cân bằng nước
Nhận thức rằng đặc điểm cơ bản của tài nguyên nước là: thay đổi không ngừng theo không gian và thời gian; việc khai thác sử dụng nước, phát triển tài nguyên nước và các hệ quả do khai thác sử dụng nước là rất khác nhau giữa các vùng, miền, khu vực và thậm chí khác nhau giữa các tiểu lưu vực trong phạm vi một lưu vực sông; các tác hại do nước gây ra liên quan đến số lượng, chất lượng và động thái nguồn nước cũng rất khác nhau. Do vậy, khơng thể có được một giải pháp chung để xử lý các vấn đề liên quan đến tài nguyên nước cho cả một vùng hay một lưu vực sơng, nói cách khác để bảo đảm vấn đề được xem xét toàn diện và phản ánh đúng thực tế thì khơng thể xem xét trên bình diện chung của cả một lưu vực.
Khi đó, xem xét cụ thể đối với từng khơng gian xác định để có thể xác định được những đồng nhất về: tiềm năng nguồn nước; có chung sự tác động của các hoạt động khai thác sử dụng nước; cùng chịu các tác động của những thiên tai do nước gây ra. Khơng gian đó được xem là các vùng quy hoạch hay là các tiểu lưu vực bộ phận.
Khi tính tốn cân bằng nước cho một hệ thống sơng nào đó cần phải chia hệ thống lưu vực ra thành từng vùng, từng khu, từng ô…để thuận lợi cho việc
+ Dựa vào đặc điểm tự nhiên, sự phân chia địa hình tương ứng của các dịng chính, các nhánh sông tạo nên các khu cân bằng (tiểu vùng cân bằng) có tính độc lập tương đối về tiềm năng nguồn nước và các yếu tố tự nhiên liên quan;
+ Dựa theo các hệ thống cơng trình khai thác, sử dụng tài nguyên nước kết hợp với địa giới hành chính và đơn vị quản lý hệ thống cơng trình khai thác sử dụng nước;
+ Căn cứ theo tính hệ thống của nguồn nước bảo đảm cho việc quản lý khai thác tài nguyên nước, phát triển tài nguyên nước một cách hiệu quả;
+ Căn cứ nhu cầu, đặc điểm sử dụng nước, các hộ ngành sử dụng nước và nguồn cấp nước kể cả hướng tiêu thoát nước sau khi sử dụng.
+ Áp dụng công cụ kỹ thuật GIS phân chia các tiểu khu cân bằng
+ Các tiểu khu cân bằng thuộc lưu vực sông Vệ là một bộ phận không thể tách rời và thống nhất chung trong các tiểu lưu vực thuộc tồn bộ lưu vực sơng Vệ - tỉnh Quảng Ngãi.
2.2.2. Phân vùng tính cân bằng nước
Trên cơ sở các quan điểm, nguyên tắc phân vùng tính cân bằng nước ở trên và áp dụng công cụ phần mềm Mapinfo, Arcview để phân chia và tính tốn các đặc trưng thống kê, lưu vực sông Vệ được phân chia thành 6 vùng cân bằng nước với các thông tin liên quan được ghi ở bảng 6 và các hình 10, 11.
Bảng 6. Tổng hợp phân vùng tính tốn cân bằng nước trên lưu vực sông Vệ và các thông tin liên quan
ST T
Vùng cân bằng
nƣớc Diện tích, km2 Nguồn nƣớc chính Thuộc huyện Tổng chiều dài các sơng chính, km 1 Thượng sơng vệ - bao gồm Sơng Nước lếch 306 Sông Vệ, Sông Nước Lếch Ba Tơ 77 2
Sông Trà Nô - bao gồm Sông Tô và
Phụ lưu số 2
157 Sông Trà Nô, Sông Tô, Phụ lưu 2 Ba Tơ 47
3 Sông Nề (Sông
Nô) 108 Sông Nề Ba Tơ 15
4 Khu giữa Sông Vệ 281 Sông Vệ
Ba Tơ, Mộ Đức, Nghĩa Hành, Đức
Phổ
58
5 Sông Vực Hồng 257 Sông Vực Hồng, Sông Cái Bứa Minh Long, Nghĩa Hành, Tư Nghĩa 68
6 Hạ Sông Vệ 151 Sông Vệ Mộ Đức, Tư Nghĩa 25
Sơ đồ phân vùng tính tốn cân bằng nước trên lưu vực sông Vệ