CHƯƠNG 2 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI
3.1. Giới thiệu một số mơ hình tính tốn cân bằng nước
3.1.4. Mơ hình hệ thống đánh giá và phát triển nguồn nước WEAP
WEAP là một mơ hình kết hợp giữa việc mơ phỏng và các chính sách cần áp dụng cho lưu vực. WEAP dựa trên nguyên tắc tính tốn cân bằng giữa các nhu cầu của các dạng sử dụng nước, giá thành và hiệu quả của các cơng trình cấp nước và cơ sở phân bổ nguồn nước, với nguồn nước cung cấp bao gồm nước mặt, nước ngầm, nước hồ chứa và các vận chuyển nguồn nước. WEAP còn phân tích các thử nghiệm về các phương án phát triển và quản lý nguồn nước.
WEAP là một mô hình tồn diện, đơn giản, dễ sử dụng và có thể xem là công cụ trợ giúp cho các nhà lập kế hoạch. Là một cơ sở dữ liệu, WEAP cung cấp một hệ thống các thông tin về nhu cầu và khả năng cấp nước trong lưu vực. Là một công cụ dự báo, WEAP đưa ra các dự đoán về các nhu cầu về nước, khả năng cung cấp nước, dòng chảy và lượng trữ, tổng lượng ô nhiễm và cách xử lý. Là một cơng cụ phân tích chính sách, WEAP đánh giá các phương án phát triển và quản lý nguồn nước, và xem xét theo quan điểm cạnh tranh đa phương giữa các hộ dùng nước trong hệ thống. Vận hành dựa trên tính tốn cân bằng nước, WEAP có khả năng áp dụng cho các hệ thống nông nghiệp và đô thị, các lưu vực đơn hay hệ thống lưu vực
Nguyễn Văn Muôn Trang 42 Lớp CH19Q
Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước
sơng. Hơn nữa, WEAP có thể được sử dụng để đáp ứng nhiều mục tiêu khác nhau: phân tích nhu cầu của các ngành, bảo tồn nguồn nước, xác định thứ tự ưu tiên phân bổ nguồn nước, mô phỏng dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm, vận hành hồ chứa, vận hành phát điện, kiểm sốt ơ nhiễm, đảm bảo mơi trường sinh thái và phân tích kinh tế.
WEAP đã được áp dụng trong nhiều dự án trên thế giới trong công tác quản lý tổng hợp tài nguyên nước, bao gồm: (1) Trung Quốc: xây dựng các kịch bản hỗ trợ công tác phân bổ nguồn nước giữa các hộ sử dụng; (2) Châu Phi: các dự án liên quan đến phát triển nguồn nước; (3) Trung Đông: xây dựng các phương án phát triển nguồn nước và các kịch bản phân bổ nguồn nước ở Isarel và Palestin; (4) Ấn Độ và Nêpal: các phương án khai thác và bảo vệ nguồn nước trong các điều kiện khác nhau; (5) California, Mỹ: Đánh giá ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến hệ sinh thái; (6) Việt Nam: Tác động của biến đổi khí hậu tới tăng trường và phát triển kinh tế ở Việt Nam đến năm 2050.
3.1.5. Bộ mơ mình MIKE (DHI) và mơ hình MIKE BASIN
Bộ mơ hình MIKE do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) với các phần mềm để đánh giá và phân tích các vấn đề về chất lượng, số lượng nước và vận chuyển bùn cát ở các cửa sơng, kênh, tính tốn cân bằng nước lưu vực… Bộ mơ hình MIKE bao gồm các mơ hình thành phần: MIKE 11, MIKE 21, MKE FLOOD, MIKE SHE, MIKE BASIN…
Trong bộ mơ hình MIKE, mơ hình MIKE BASIN là mơ đun tính tốn cân bằng nước. Nó biểu thị mối quan hệ giữa lượng nước đến, lượng nước đi và lượng nước trữ lại ở một khu vực, một lưu vực hoặc của một hệ thống trong điều kiện tự nhiên hay có việc can thiệp của con người. Mơ hình có thể mơ phỏng một lưu vực sơng bao gồm cấu hình của các sơng chính và các sơng nhánh, các yếu tố thuỷ văn của lưu vực theo không gian và theo thời gian, các cơng trình, hệ thống sử dụng nước hiện tại và tương lai và các phương án sử dụng nước khác nhau. MIKE BASIN tích hợp với ArcView GIS, vì vậy các thơng tin GIS có thể bao hàm trong mơ phỏng TNN. Mơ hình là cơng cụ hữu hiệu phục vụ cho tính tốn, quy hoạch và
Nguyễn Văn Muôn Trang 43 Lớp CH19Q
Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước
quản lý tài nguyên nước.
3.1.6. Nhận xét và lựa chọn mơ hình tính tốn
Qua việc giới thiệu một số mơ hình tính tốn cân bằng nước ở trên, có thể rút ra một số nhận xét như sau:
- Hệ thống mơ hình GIBSI, đây là mơ hình tổng hợp, cho kết quả kiểm tra tác động của công nghiệp, nông nghiệp, quản lý nước…được áp dụng cho các lưu vực có tình hình phát triển công nghiệp, nông nghiệp, đô thị phức tạp.
- Mơ hình WEAP là mơ hình kết hợp giữa việc mơ phỏng và các chính sách cần áp dụng cho lưu vực. Ngồi việc tính tốn cân bằng nước giữa các nhu cầu dùng nước, WEAP cịn tính tốn giá thành và hiệu quả của các cơng trình cấp nước và cơ sở phân bổ nguồn nước với nguồn nước cung cấp; phân tích các thử nghiệm về các phương án phát triển và quản lý nguồn nước.
- Mơ hình BASINS được xây dựng để đưa ra một công cụ đánh giá tốt hơn và tổng hợp hơn các nguồn phát thải tập trung và không tập trung trong công tác quản lý chất lượng trên lưu vực. BASINS là mơ hình hệ thống phân tích mơi trường đa mục tiêu, có khả năng ứng dụng cho một quốc gia, một vùng.
- MIKE BASIN đòi hỏi với một số lượng số liệu không nhiều, với các mơ đun tính tốn đơn giản để đưa ra các kịch bản tính tốn các đặc trưng dịng chảy theo không gian và thời gian, xác định nhu cầu dùng nước, vận hành hồ chứa đa mục tiêu và đánh giá chất lượng nước.
Trong luận văn này, mơ hình MIKE BASIN với các tính năng vượt trội về xử lý số liệu gắn với GIS, số liệu đầu vào không nhiều, giao diện dễ sử dụng…đã được lựa chọn làm cơng cụ để tính tốn cân bằng nước hệ thống cho lưu vực sông Hương.
3.2. Giới thiệu mơ hình MIKE BASIN
3.2.1. Giới thiệu chung
Mơ hình MIKE BASIN do Viện thuỷ lực Đan Mạch xây dựng, nó là một mơ hình tốn học thể hiện một lưu vực sơng bao gồm cấu hình của các sơng chính và các sơng nhánh, các yếu tố thuỷ văn của lưu vực theo không gian và theo thời gian,
Nguyễn Văn Muôn Trang 44 Lớp CH19Q
Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước
các cơng trình, hệ thống sử dụng nước hiện tại và tương lai và các phương án sử dụng nước khác nhau. Mơ hình cũng biểu diễn cả TNN ngầm và quá trình diễn biến nước ngầm. Mô đun MIKE BASIN WQ bổ sung thêm chức năng mô phỏng chất lượng nước.
MIKE BASIN được xây dựng theo kiểu mơ hình mạng lưới, trong đó sơng và các nhánh hợp lưu chính của nó được biểu diễn bằng một mạng lưới bao gồm các nhánh và các nút. Các nhánh thể hiện các đoạn sông riêng biệt, còn các nút thể hiện các tiểu hợp lưu hoặc các vị trí mà tại đó các hoạt động liên quan đến phát triển nguồn nước có thể diễn ra như điểm của dòng chảy hồi quy từ các khu tưới, hoặc là điểm hợp lưu giữa hai hoặc nhiều sơng hoặc suối hoặc tại các vị trí quan trọng cần có kết quả của mơ hình. Quan niệm tốn học trong mơ hình MIKE BASIN là tìm các lời giải ổn định cho mỗi bước thời gian. Có thể dùng MIKE BASIN để tìm các giá trị điển hình đối với số lượng và chất lượng nước trong hệ thống biến đổi chậm (ví dụ chu kỳ hàng năm của các tháng). Ưu điểm của MIKE BASIN là tốc độ tính tốn của nó cho phép vạch ra nhiều kịch bản khác nhau. Sai số do nhiều giải pháp tính tạo ra khơng đáng kể khi bước thời gian của q trình khơng nhỏ hơn thời gian mơ phỏng.
MIKE BASIN tích hợp với ArcView GIS, vì vậy các thơng tin GIS có thể bao hàm trong mô phỏng TNN. Mạng lưới sông và các nút cũng được soạn thảo trong ArcView. Mơ hình hoạt động trên cơ sở một mạng lưới sơng được số hóa và thiết lập trực tiếp trên màn hình máy vi tính trong ArcView GIS. Tất cả các thơng tin về mạng lưới sơng, vị trí các hộ dùng nước, hồ chứa, cửa lấy nước, các yêu cầu về chuyển dòng, dòng hồi quy đều được xác định trực tiếp từ các giao diện trên màn hình.
Nguyễn Văn Muôn Trang 45 Lớp CH19Q
Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước
Hình 3.1. Sơ đồ lập mơ hình phân bổ nước của Mike Basin
Trên thực tế, có nhiều hộ sử dụng sẽ lấy nước từ cùng một nguồn cấp. Trong khái niệm mơ hình MIKE BASIN, tình huống này được mô phỏng bằng một điểm nút mà các hộ sử dụng này sẽ kết nối đến.
Trong trường hợp thiếu nước, sẽ nảy sinh mâu thuẫn về cách phân bổ nguồn nước có sẵn tại một điểm cấp nước cho những hộ sử dụng kết nối đến điểm đó. Yêu cầu đặt ra là phải có một nguyên tắc để giải quyết vấn đề phân bổ nước. Mơ hình MIKE BASIN có thể giải quyết vấn đề phân bổ nước với hai nguyên tắc cơ bản, ưu tiên cục bộ và toàn bộ. Nguyên tắc ưu tiên cục bộ nghĩa là vấn đề phân bổ nước thường được giải quyết xem xét đến các điểm nút lân cận có kết nối trực tiếp. Nguyên tắc ưu tiên toàn bộ sử dụng chủ yếu trên diện lưu vực sơng ở đó người sử dụng có quyền ưu tiên, tức là quyền về nước được xác định khi thiết lập. Trong những lưu vực sông như vậy, người sử dụng ở thượng lưu cũng không thể khai thác được vị trí địa lý của họ.
Trong MIKE BASIN, thuật tốn ưu tiên tồn bộ được thực hiện bởi một bộ những nguyên tắc. Các loại nguyên tắc khác nhau sẽ được xác định. Nguyên tắc có ảnh hưởng ít nhất là đến nút mà chúng được ấn định nguyên tắc và có thể đến một nút thứ hai, điểm khai thác trước. Nhiều nguyên tắc sử dụng có thể được áp dụng cho cùng một hộ dùng nước, không nhất thiết phải theo một thứ tự ưu tiên. Ví dụ,
Reservoir submodel Irrigation submodel Hydrological timeseries Network configuration
Water supply & irrigation data Meteorological timeseries Reservoir
data
Water Use Simulation Model
• Simulated timeseries of runoff • Performance of reservoirs and irrigation schemes
Nguyễn Văn Muôn Trang 46 Lớp CH19Q
Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước
hộ dùng nước có thể có quyền ưu tiên cao đối với mức cấp nước tối thiểu cần thiết, và quyền ưu tiên rất thấp đối với cấp nước bổ sung. Đối với một hộ dùng nước cụ thể, nhiều nguyên tắc có thể áp dụng cho một điểm khai thác riêng lẻ (nút trên sông) hoặc cho các điểm nút khác. Cơ chế ưu tiên tồn bộ khơng tính đến độ trễ trong dịng chảy (diễn toán, diễn biến nước ngầm).
Trong cơ chế ưu tiên cục bộ, ưu tiên rất nghiêm khắc đối với nước mặt. Chức năng Supply Node cho phép xác định đặc tính trong đó u cầu nhập nhu cầu nước tại nút của người sử dụng. Nút đầu tiên trong danh sách sẽ nhận được toàn bộ nước theo nhu cầu của nó (nếu có nước) trước khi nút thứ hai được tính đến. Nút thứ hai này sẽ nhận được toàn bộ số nước theo nhu cầu (nếu còn nước sau khi nút đầu tiên nhận được đủ nước của mình), và cứ như vậy cho đến nút cuối cùng. Bất kỳ lượng nước còn lại nào chảy vào một điểm nút hạ lưu riêng lẻ hoặc khi khơng có các điểm nút này thì được cho là để lại trên diện tích của mơ hình. Đối với nước ngầm, tất cả người sử dụng phải có cùng một ưu tiên. Họ nhận được cùng một lượng. Khái niệm lập mơ hình tổng thể của MIKE BASIN là tìm giải pháp tĩnh cho mỗi bước thời gian. Theo đó, đầu vào bước thời gian và kết quả được giả định là có chứa các giá trị trung bình thơng lượng trong bước thời gian tính tốn. Sự xấp xỉ trong giải pháp tĩnh sẽ có sai số lớn khi tỷ lệ thời gian của q trình khơng ít hơn bước thời gian của mơ phỏng. Một ví dụ điển hình về u cầu bước thời gian nhỏ đó là mơ phỏng hồ chứa, đặc biệt là thuỷ điện. Lượng điện tạo ra phụ thuộc vào mực nước phát điện trong hồ, do đó nếu mực nước thay đổi nhiều trong một bước thời gian, kết quả tính tốn sẽ ở độ xấp xỉ kém.
Ở Việt Nam mơ hình MIKE BASIN đã được áp dụng để tính tốn cân bằng nước cho các lưu vực như lưu vực sông Ba, lưu vực sơng Sài Gịn - Đồng Nai…
3.2.2. Cơ sở lý thuyết của mơ hình Mike Basin
Cân bằng nước là nguyên lý chủ yếu được sử dụng cho tính tốn, quy hoạch và quản lý tài ngun nước. Nó biểu thị mối quan hệ giữa lượng nước đến, lượng
Nguyễn Văn Muôn Trang 47 Lớp CH19Q
Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước
nước đi và lượng nước trữ lại ở một khu vực, một lưu vực hoặc của một hệ thống trong điều kiện tự nhiên hay có việc can thiệp của con người.
Nguyên lý cân bằng nước xuất phát từ định luật bảo toàn vật chất, đối với một lưu vực có thể phát biểu như sau: “Hiệu số lượng nước đến và ra khỏi lưu vực bằng sự thay đổi lượng nước trên lưu vực đó trong một thời đoạn tính tốn bất kỳ”.
Xét một lưu vực có phía trên giới hạn bởi mặt đất của lưu vực, phía dưới giới hạn bởi lớp đất không thấm nước ngăn cách mọi trao đổi của nước trong lưu vực với các tầng phía dưới. Khi đó, phương trình cân bằng nước tổng quát là:
(X + Z1 + Y1 + W1) - (Z2 + Y2 + W2) = U2 - U1 Trong đó: X: Lượng nước mưa rơi xuống lưu vực;
Z1: Lượng nước ngưng tụ từ khí quyển và đọng lại trên lưu vực; Y1: Lượng dòng chảy mặt đi vào lưu vực;
W1: Lượng dòng chảy ngầm đi vào lưu vực; Z2: Lượng nước bốc hơi từ lưu vực;
Y2: Lượng dòng chảy mặt ra khỏi lưu vực; W2: Lượng dòng chảy ngầm ra khỏi lưu vực.
Mơ hình MIKE BASIN làm việc trong mơi trường ArcView. Do đó, nó được tích hợp những tính năng và sử dụng các hàm trong ArcView trong việc phân tích và số hóa các dữ liệu đầu vào. Cùng với việc sử dụng phương trình cân bằng nước trên lưu vực mơ hình đã cho ta một cái nhìn tổng quát về tài nguyên nước của lưu vực. Từ đó hỗ trợ đưa ra các phương pháp quản lý nguồn tài nguyên nước một cách hợp lý và tối ưu.
3.2.3. Các mơ đun trong Mike Basin
MIKE BASIN có nhiều mơ đun có khả năng và nhiệm vụ khác nhau như: - Mơ đun tính tốn cân bằng nước lưu vực;
- Mơ đun mưa rào - dịng chảy (NAM); - Mô đun nước ngầm;
Nguyễn Văn Muôn Trang 48 Lớp CH19Q
Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước
- Mô đun chất lượng nước và một số mô đun khác. (1) Mơ đun tính tốn cân bằng nước lưu vực
Mơ hình MIKE BASIN là một mơ hình phân tích hệ thống bao gồm 7 loại nút cân bằng nước;
- Nút đơn (simple node): là nút khởi đầu của hệ thống (biên trên);
- Nút hứng nước (catchment node): là nút được xác định ở cuối của lưu vực; - Nút chuyển nước (offtake node): là những nút từ đó nước được lấy ra để cung cấp cho các nhu cầu tưới hoặc sử dụng nước;
- Nút tưới (irrigation): là những nơi sử dụng nước cho nông nghiệp;
- Nút cung cấp nước (water supply): là những nơi sử dụng nước dùng cho sinh hoạt, công nghiệp và các nhu cầu khác;
- Nút hồ chứa (reservoir): là vị trí các hồ chứa;
- Nút thủy điện (hydropower): là nơi đặt các nhà máy thủy điện. (2) Mô đun mưa rào - dòng chảy (NAM)
MIKE BASIN được tích hợp với mơ đun mưa rào - dịng chảy (NAM) của Mike 11 để tính tốn số liệu dịng chảy đầu vào của lưu vực từ số liệu mưa.
Mơ hình NAM được xây dựng tại Khoa Thủy văn Viện Kỹ thuật Thủy động lực và Thủy lực thuộc Đại học Kỹ thuật Đan Mạch năm 1982. Mơ hình NAM đã được sử dụng rộng rãi ở Đan Mạch và một số nước nằm trong tiểu vùng khí hậu khác nhau như Srilanca, Thái Lan, Ấn Độ…và Việt Nam. Trong mơ hình NAM,