CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC VÀ LỰA CHỌN MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHO KHU VỰC NGHIÊN CỨU
3.1. Giới thiệu một số mô hình tính toán cân bằng nước
Hệ thống mô hình GIBSI là một hệ thống mô hình tổng hợp chạy trên máy tính cá nhân, cho các kết quả kiểm tra tác động của nông nghiệp, công nghiệp, quản lý nước cả về lượng và chất đến TNN. GIBSI có một ngân hàng dữ liệu (bao gồm cả các số liệu và các đặc trưng) về thủy văn, xói mòn đất, lan truyền hóa chất trong nông nghiệp và mô hình chất lượng nước và các thông số cơ bản của hệ thống. Mô hình GIBSI cũng có hệ thống thông tin địa lý (GIS) và phần mềm quản lý các dữ liệu có liên quan.
Mô hình GIBSI cho khả năng dự báo các tác động của công nghiệp, rừng, đô thị, các dự án nông nghiệp đối với môi trường tự nhiên, có tác dụng cảnh báo các hộ dùng nước biết trước và tôn trọng các tiêu chuẩn về số lượng, chất lượng nguồn nước dùng. GIBSI có những mô hình chủ yếu sau:
- Mô hình thủy văn HYDROTEL.
- Mô hình phân giải vật lý có hệ thống viễn thám, hệ thống thông thin địa lý.
- Mô hình ULSE dùng cho vận chuyển phù sa và xói mòn đất.
- Mô hình lan truyền chất hóa học trong nông nghiệp dựa trên mô hình lan truyền nitơ, phốt pho, thuốc trừ sâu: sử dụng mô đun trong SWAT.
- Mô hình chất lượng nước QUAL2E, mô hình chất lượng nước để mô phỏng các yếu tố: Độ khuyếch tán và hội tụ các chất hòa tan trong nước (chất gây ô nhiễm); Sự phát triển loài tảo; Chu trình của nitơ, phốt pho; Sự phân rã coliform;
Làm thông khí; Nhiệt độ của nước.
Hệ thống mô hình GIBSI được áp dụng cho các lưu vực ở Canada có hệ sinh thái và tình hình phát triển công nghiệp, nông nghiệp, đô thị phức tạp như lưu vực Chaudiere ở Quebec có diện tích 6.880 km2, trong đó rừng chiếm 63,2%, đất nông nghiệp 17,2%, bụi rậm 15,3%, đô thị 3,1%, mặt nước 1,2% diện tích lưu vực và dân số 180.000 người. Kết quả mô phỏng theo các kịch bản phát triển cho thấy các hoạt
Nguyễn Văn Muôn Trang 39 Lớp CH19Q
Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước động chặt phá rừng làm cho lũ mùa xuân đến sớm hơn và nhiều hơn so với các lưu vực đối chứng. Kịch bản mô phỏng xử lý nước thải làm cho số lượng coliform giảm dần và bền vững, lượng phốt pho cũng giảm.
Ở Việt Nam, mô hình GIBSI đã được áp dụng đối với lưu vực sông Cầu, thuộc đề tài “Quản lý tổng hợp lưu vực sông Cầu” thực hiện từ năm 2008 - 2011.
3.1.2. Bộ mô hình lưu vực (của Ủy hội sông Mê Kông )
Mô hình lưu vực và xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu là một hợp phần của Chương trình sử dụng nước của Ủy hội sông Mê Kông (WUP). Kết quả chủ yếu của dự án này là “Hệ thống hỗ trợ ra quyết định (DSF)”, trong đó bao gồm hệ thống cơ sở dữ liệu, bộ mô hình lưu vực và các công cụ đánh giá tác động. Khi hoàn thiện WUP DSF sẽ được sử dụng để hỗ trợ trong việc xây dựng các nguyên tắc phân bổ nguồn nước giữa các nước trong lưu vực sông Mê Kông và hỗ trợ ra quyết định cho công tác quản lý lưu vực sông thông qua các đáng giá về ảnh hưởng của các kịch bản phát triển đến tài nguyên môi trường.
Ba mô hình con trong bộ mô hình lưu vực bao gồm:
- Mô hình thủy văn (SWAT) cung cấp chuỗi dòng chảy đầu ra tại các nút trong hệ thống. Các số liệu này sẽ được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy của lưu vực và các công tác quản lý môi trường, các kịch bản phát triển nguồn nước và các tiêu chuẩn vận hành.
- Mô hình mô phỏng nguồn nước lưu vực (IQQM), mô phỏng các công trình thủy điện, tưới, chuyển nước và thu nước. Sử dụng các chuỗi số liệu mô phỏng và thực đo trong một hệ thống tổng thể với các kịch bản khác nhau để đưa ra một biện pháp tối ưu và dễ vận hành.
- Mô hình thủy động lực học (ISIS) mô phỏng chế độ thủy văn, thủy lực vùng hồ Tonle Sap và hạ lưu Kratie, sông Mê Kông.
Các mô hình con trong bộ mô hình lưu vực trên đã được áp dụng ở nhiều vùng trên toàn lãnh thổ Việt Nam. Ví dụ: Đề tài “Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy lưu vực sông Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội”. Đề tài “Ứng dụng mô hình SWAT tính toán dòng chảy bùn cát
Nguyễn Văn Muôn Trang 40 Lớp CH19Q
Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Sê San”. Đề tài “Ứng dụng bộ mô hình SWAT và IQQM tính toán cân bằng nước lưu vực sông Cả”…
3.1.3. Mô hình BASINS
Mô hình BASINS được xây dựng bởi Văn phòng Bảo vệ Môi trường (Hoa Kỳ). Mô hình 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 nước trên lưu vực. Đây là một mô hình hệ thống phân tích môi trường đa mục tiêu, có khả năng ứng dụng cho một quốc gia, một vùng để thực hiện các nghiên cứu về nước bao gồm cả lượng và chất trên lưu vực. Mô hình được xây dựng để đáp ứng 3 mục tiêu:
- Thuận tiện trong công tác kiểm soát thông tin môi trường.
- Hỗ trợ công tác phân tích hệ thống môi trường.
- Cung cấp hệ thống các phương án quản lý lưu vực.
Mô hình BASINS bao gồm các mô hình thành phần sau:
- Mô hình trong sông: QUAL2E, phiên bản 3.2 mô hình chất lượng nước.
- Các mô hình lưu vực: Win HSPF là một mô hình lưu vực dùng để xác định nồng độ các chất thải từ các nguồn thải tập trung và không tập trung trong sông;
SWAT là một mô hình dựa trên cơ sở vật lý được xây dựng để dự đoán ảnh hưởng của các hoạt động sử dụng đất trên lưu vực đến chế độ dòng chảy, xác định lượng bùn cát và các các chất hoá học dùng trong nông nghiệp trên toàn lưu vực.
- Các mô hình lan truyền: PLOAD, là một mô hình lan truyền chất ô nhiễm.
PLOAD xác định các nguồn thải không tập trung trung bình trong một khoảng thời gian nhất định.
Mô hình BASINS có khả năng tích hợp với GIS để biểu thị và tổ hợp các thông tin (sử dụng đất, lưu lượng các nguồn thải, lượng nước quy hồi,… ) tại bất kỳ một vị trí nào. Các thành phần của mô hình cho phép người sử dụng có thể xác định ảnh hưởng của lượng phát thải từ các điểm tập trung và không tập trung. Tổ hợp các mô đun thành phần có thể giúp cho việc phân tích và quản lý lưu vực theo hướng:
- Xác định và thứ tự ưu tiên các giới hạn về môi trường nước;
Nguyễn Văn Muôn Trang 41 Lớp CH19Q
Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước - Đặc trưng các nguồn thải và xác định độ lớn cũng như tiềm năng phát thải;
- Tổ hợp các lượng thải từ các điểm nguồn tập trung và không tập trung và quá trình vận chuyển trên lưu vực cũng như trên sông;
- Xác định, so sánh giá trị tương đối của các chiến lược kiểm soát ô nhiễm;
- Trình diễn và công bố trước công chúng dưới dạng các bảng biểu, hình vẽ và bản đồ.
Mô hình BASINS được sử dụng rộng rãi ở Mỹ, nó thuận tiện trong việc lưu trữ và phân tích các thông tin môi trường, và có thể sử dụng như là một công cụ hỗ trợ ra quyết định trong quá trình xây dựng khung quản lý lưu vực.
Ở Việt Nam đã áp dụng các mô hình thành phần trên khá rộng rãi, như ở hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai thuộc đề tài nhánh “Nghiên cứu áp dụng mô hình toán quản lý chất lượng nước hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai” thuộc đề tài cấp Nhà nước mã số KH.07-17.
3.1.4. Mô hình hệ thống đánh giá và phát triển nguồn nước WEAP
WEAP là một mô hình kết hợp giữa việc mô phỏng và các chính sách cần áp dụng cho lưu vực. WEAP dựa trên nguyên tắc tính toán cân bằng giữa các nhu cầu của các dạng sử dụng nước, giá thành và hiệu quả của các công 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 toàn 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 công 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 toán 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 sông. 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 soát ô nhiễm, đảm bảo môi 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 mô mình MIKE (DHI) và mô hình MIKE BASIN
Bộ mô 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 sông, kênh, tính toán cân bằng nước lưu vực… Bộ mô hình MIKE bao gồm các mô hình thành phần: MIKE 11, MIKE 21, MKE FLOOD, MIKE SHE, MIKE BASIN…
Trong bộ mô hình MIKE, mô hình MIKE BASIN là mô đun tính toán 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. Mô hình có thể mô phỏng một lưu vực sông bao gồm cấu hình của các sông chính và các sông nhánh, các yếu tố thuỷ văn của lưu vực theo không gian và theo thời gian, các công 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 thông tin GIS có thể bao hàm trong mô phỏng TNN. Mô hình là công cụ hữu hiệu phục vụ cho tính toán, 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 mô hình tính toán
Qua việc giới thiệu một số mô hình tính toán cân bằng nước ở trên, có thể rút ra một số nhận xét như sau:
- Hệ thống mô hình GIBSI, đây là mô 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.
- Mô hình WEAP là mô hình kết hợp giữa việc mô phỏng và các chính sách cần áp dụng cho lưu vực. Ngoài việc tính toán cân bằng nước giữa các nhu cầu dùng nước, WEAP còn tính toán giá thành và hiệu quả của các công 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.
- Mô 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 mô hình hệ thống phân tích môi 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 mô đun tính toán đơn giản để đưa ra các kịch bản tính toán các đặc trưng dòng 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, mô 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 công cụ để tính toán cân bằng nước hệ thống cho lưu vực sông Hương.
3.2. Giới thiệu mô hình MIKE BASIN