Chương 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp thu thập số liệu
2.2.1.1. Phương pháp nghiên cứu các chỉ tiêu thủy văn.
Trên thế giới có 3 nhóm phương pháp chủ yếu để nghiên cứu các chỉ tiêu thủy văn trong mối liên hệ với các nhân tố ảnh hưởng, đó là phương pháp nghiên cứu trên 2 lưu vực tương đồng gần nhau (pair-watershed), phương pháp nghiên cứu trên nhiều lưu vực không tương đồng (no-similarity watershed), và phương pháp sử dụng phương trình cân bằng nước (water balance).
Căn cứ vào mục tiêu của đề tài, thời hạn nghiên cứu và đặc điểm của các phương pháp nghiên cứu thủy văn, luận án đã sử dụng phương pháp nghiên cứu trên nhiều lưu vực không tương đồng. Phương pháp này cho phép thực hiện nghiên cứu trong thời gian ngắn, nhưng lại có khả năng mô hình hóa ở mức cao. Kết quả nghiên cứu theo phương pháp này không chỉ áp dụng được trực tiếp cho những lưu vực nghiên cứu mà còn cho các lưu vực với những điều kiện đa dạng khác. Đây là điều kiện cần thiết để kết quả nghiên cứu của đề tài có thể áp dụng cho các hồ thủy điện trên phạm vi cả nước.
2.2.1.2. Xác định các chỉ tiêu lý sinh
Để nghiên cứu nội dung này, đề tài đã thử nghiệm với 6 phương pháp đã và đang được áp dụng trong thực tế bao gồm: Phương pháp sử dụng bãi thử nghiệm, phương pháp sử dụng các cọc gỗ, phương pháp sử dụng hàng rào xói mòn, phương pháp sử dụng hố bẫy xói mòn, phương pháp sử dụng trạm quan trắc thủy văn và phương pháp sử dụng mô hình toán. Với 08 tiêu chí đánh giá tính thích hợp của các phương pháp thử nghiệm liên quan đến mức thuận lợi, khó khăn và điều kiện áp dụng như bao gồm: (1). Thời gian nghiên cứu ngắn - phương pháp tốt là phương pháp đảm bảo thời gian nghiên cứu không quá thời hạn của đề tài ; (2). Tính chính xác - phương pháp tốt là phương pháp điều tra được trực tiếp lượng nước dồn vào hồ, không cần nghiên cứu hệ số hiệu chỉnh;
(3). Chi phí thấp - phương pháp tốt là phương pháp có chi phí không vượt quá với khả năng của đề tà; (4). Thiết bị dễ kiếm - phương pháp tốt là phương pháp không yêu cầu thiết bị phức tạp, có thể mua sắm trong khả năng kinh phí của đề tài, hoặc tự chế tạo được, hoặc được sử dụng miễn phí v.v...; (5). Tính vận trù - Phương pháp tốt là phương pháp phối hợp được điều tra lượng nước đảm bảo giảm được khối lượng công việc và nâng cao độ chính xác của kết quả nghiên cứu; (6). Tính khả thi - phương pháp tốt là phương pháp không đòi hỏi kế thừa những tư liệu khó tiếp cận, không đòi hỏi kỹ thuật nghiên cứu quá phức
tạp hay thiết bị nghiên cứu quá đắt tiền; (7). Tính hiệu lực - phương pháp tốt là phương pháp có hiệu lực trong việc phân tích ảnh hưởng riêng rẽ của các trạng thái rừng đến lượng nước dồn đến lòng hồ và (8). Tính nhân rộng - Phương pháp tốt là phương pháp nghiên cứu định lượng, xác định được các mô hình toán liên hệ giữa lượng nước dồn vào hồ thuỷ điện với các nhân tố ảnh hưởng để áp dụng được cho các hồ thuỷ điện bất kỳ.
Trong số 8 chỉ tiêu trên có những chỉ tiêu quan trọng hơn được gán trọng số 2 gồm: tính chính xác, thiết bị dễ kiếm, tính vận trù, và tính hiệu lực. Các tiêu chí khác ít quan trọng hơn được gán trọng số 1.
Sau khi đánh giá tính thích hợp của các phương pháp xác định giá trị môi trường rừng theo 8 tiêu chí trên, phương pháp sử dụng trạm quan trắc thủy văn có tổng điểm đánh giá cao nhất đã được đề tài lựa chọn.
Phương pháp này được thực hiện như sau: Xây dựng các trạm thuỷ văn để điều tra lưu lượng dòng chảy ở tiết diện đầu ra của nhiều lưu vực có đặc điểm khác nhau, từ đó phân tích được ảnh hưởng của lớp phủ thực vật và các nhân tố đến sản lượng nước tại điểm ra của lưu vực (Ảnh 2.1).
Ảnh 2.1. Trạm thuỷ văn đo lượng mưa, lưu lượng dòng chảy
Một số lưu ý đã được thực hiện
Tại mỗi trạm thuỷ văn các quan trắc lượng nước vận chuyển trong dòng chảy được thực hiện phối hợp với nhau trong quá trình điều tra. Vì vậy, lượng nước điều tra được ở các trạm thủy văn cũng chính là lượng nước từ sườn dốc đã vượt qua được các trướng ngại vật trong quá trình di chuyển để chuyển vào lòng hồ, không cần một hệ số hiệu chỉnh nào.
Lợi dụng các hệ thống trạm thuỷ văn hiện có của Nhà nước phối hợp với việc sử dụng các cống thoát nước dọc theo đường giao thông làm trạm thuỷ văn tạm thời để làm tăng được số trạm nghiên cứu với chi phí thấp.
Xác định lưu lượng dòng chảy thông qua toán lượng nước theo phương pháp truyền thống của ngành Thủy văn để đảm bảo độ chính xác cần thiết đáp ứng yêu cầu của nghiên cứu.
Ngoài dữ liệu về lượng mưa, dòng chảy cần quan trắc trong thời gian nghiên cứu, các dữ liệu khác phục vụ nghiên cứu này như hiện trạng rừng và đất đai, điều kiện địa hình, thổ nhưỡng v.v... được kế thừa từ hệ thống thông tin địa lý, tư liệu viễn thám và các nghiên cứu trước.
(1). Các thông tin cần thu thập a. Các thông tin chung:
Các thông tin chung bao gồm: ranh giới, diện tích, độ cao, độ dốc trung bình của lưu vực, diện tích các trạng thái rừng, lượng mưa vận chuyển trong lưu vực, dòng chảy và bùn cát của 66 lưu vực ( bao gồm cả 17 lưu vực có trạm quan trắc quốc gia) phân bố ở các vùng trên cả nước. Thông tin về các lưu vực được tổng hợp trong bảng 2.1 và phụ lục 7.
Bảng 2.1. Tổng hợp các lưu vực điều tra theo mỗi khu vực TT Khu vực Số lưu Diện tích Thời gian quan trắc
vực (ha) Ngày đầu Ngày cuối Số ngày
1. An Chỉ 1 76652 1/1/07 31/12/08 364
2. An Khê 1 137488 1/1/07 31/12/08 365
3. Bình Tường 1 163381 1/1/07 31/12/08 365
4. Đại Ngà 1 37110 1/1/07 31/12/08 365
5. Đắk Nông 1 27553 1/1/07 31/12/08 365
6. Gia Vòng 1 27679 1/1/07 31/12/08 365
7. Hòa Bình 19 9750,7 11/7/12 25/9/12 76
8. Kon Tum 8 1720,4 13/8/13 4/10/13 52
9. Krông Buk 1 45757 1/1/07 31/12/08 365
10. Lâm Sơn 1 3355 1/1/07 31/12/08 365
11. Mù Cang Chải 1 23451 1/1/07 31/12/08 365
12. Na Hừ 1 15628 1/1/07 31/12/08 364
13. Ngòi Hút 1 57907 1/1/07 31/12/08 365
14. Quảng Nam 15 96,0 12/8/13 3/10/13 52
15. Sơn Diệm 1 80557 1/1/07 31/12/08 365
16. Sông Luỹ 1 194036 1/1/07 31/12/08 365
17. Thanh Bình 1 30806 1/1/07 31/12/08 367
18. Thanh Sơn 1 126523 1/1/07 31/12/08 365
19. Thường Nhật 1 19636 1/1/07 31/12/08 365
20. Vĩnh Sơn 9 236,2 16/8/13 1/10/13 46
21. Vĩnh Yên 1 12736 1/1/07 31/12/08 365
Các lưu vực đã tiến hành quan trắc phân bố trên cả nước theo sơ đồ hình 2.1.
Hình 2.1. Phân bố các trạm thủy văn của các lưu vực nghiên cứu -Diện tích và ranh giới lưu vực:
Diện tích và ranh giới các lưu vực: các lưu vực nghiên cứu có ranh giới và diện tích nằm hoàn toàn trong lãnh thổ Việt Nam. Ranh giới các lưu vực nghiên cứu được xác định qua mô hình số hóa độ cao (DEM) với sự hỗ trợ
của phần mềm ArcGIS (hình 2.3) và được kiểm tra lại qua phân tích phân bố các đường đồng mức trên bản đồ địa hình 1:50000.
Hình 2.2. Xác định ranh giới lưu vực dựa vào mô hình DEM trên phần mềm ArcGIS
Diện tích các lưu vực được xác định qua ranh giới bản đồ và hàm tính diện tích CartesianArea của phần mềm Mapinfo.
-Độ cao trung bình của lưu vực: độ cao trung bình của lưu vực được xác định qua mô hình số hóa độ cao (DEM) với khoảng cách đều giữa các điểm độ cao là 30m.
Hình 2.3: Mô hình số hoá độ cao DEM
- Độ dốc trung bình của lưu vực: độ dốc trung bình của lưu vực cũng được xác định qua mô hình DEM và hàm tính độ dốc của phần mềm ArcGIS theo các bước: Spatial Analysis Tools
Surface
Slope
-Diện tích các trạng thái rừng trong lưu vực: với những lưu vực vừa và nhỏ mà lưu lượng dòng chảy và bùn cát được điều tra trực tiếp trong năm 2012, 2013 thì bản đồ hiện trạng rừng này được rà soát và hiệu chỉnh bổ sung bằng ảnh vệ tinh LANDSAT 8 với độ phân giải 15m. Ảnh vệ tinh Landsat được tải xuống miễn phí ở trang web: https://earthexplorer.usgs.gov/ . Diện tích các trạng thái rừng trong lưu vực được xác định trên bản đồ kiểm kê rừng giai đoạn 2013 - 2016 đã được công bố bởi Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.
-Lượng mưa:
Lượng mưa được đo bằng vũ kế tại 49 lưu vực không có trạm quan trắc quốc gia cùng với thời kỳ quan trắc lưu lượng dòng chảy và bùn cát. Vị trí đặt trạm đo không quá 2 km so với điểm đo dòng chảy và bùn cát.
Thời gian đo: là 7 giờ và 19 giờ hàng ngày (một ngày tính từ 19h)
-Lưu lượng dòng chảy, chiều cao mực nước:
Các cống nước bê tông (hình trụ và hộp) cùng hệ thống chặn đất và bùn cát để dòng chảy ổn định được ổn định. Cống nước có thước đo chiều cao mực nước ở trước và sau như hình 2.4 đến 2.6:
Hình 2.4. Thước đo mực nước tại các cống nghiên cứu Trắc đồ mặt cắt ngang của các cống:
Hình 2.5: Trắc đồ mặt cắt ngang ở cống đo nước hình tròn
Hình 2.6. Trắc đồ mặt cắt ngang ở cống đo nước hình hộp
Bảng 2.2. Mẫu ghi số liệu đo mặt cắt tiết diện ngang cống đo nước Vị trí trên Độ sâu đáy Chiều cao Đường Chiều
kênh từ mực
TT trắc ngang đến mép kính dài cống Ghi chú
cao số “0”
(m) cống (m) cống (m) (m)
(m)
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)
… … … … … … …
… … … … … … …
… … … … … … …
Bảng 2.3. Mẫu bảng tra diện tích tiết diện dòng chảy theo mực nước Chiều cao mực Diện tích tiết diện dòng chảy
nước (cm)
Cống 1 Cống 2 Cống 3 Cống 4 Cống 5 Cống 6 ….
… … … … … … … …
… … … … … … … …
Thời điểm điều tra:
Đối với các trạm quan trắc tạm thời, thời điểm điều tra được tiến hành 1 lần hoặc 2 lần tùy thuộc vào thời tiết đợt điều tra. Cụ thể,
+ Điểu tra 1 lần vào ngày nắng lúc 7-8 giờ, sau ngày mưa 2 ngày;
+ Điều tra 2 lần: ngày mưa lúc 7-8 giờ và 17-18 giờ, chưa quá 2 ngày sau ngày mưa. Thời gian đo từ 46 đến 76 ngày trong thời kỳ chuyển tiếp từ đầu đến giữa mùa mưa.
Chiều cao mực nước: xác định theo thước đo nước trước và sau cống.
Tốc độ dòng chảy: đo bằng phao xốp, trôi từ mặt trước đến mặt sau cống, được thực hiện ba lần liên tiếp cho mỗi điểm điều tra.
Đối với 17 lưu vực có trạm quan trắc quốc gia:
Điều tra thủy văn tại các trạm thủy văn quốc gia được thực hiện theo quy trình chung là một ngày 2 lần vào 7 giờ và 19 giờ.
Đối với nội dung này, đề tài đã quan trắc lưu lượng dòng chảy tại 49 lưu vực và sử dụng số liệu quan trắc lưu lượng dòng chảy của Tổng cục KTTV tại 17 lưu vực khác. Số liệu quan trắc với những trạm thủy văn quốc gia là cả năm 2007, còn với các trạm khác được bắt đầu từ tháng 7 hoặc tháng 8 và kéo dài từ 1,5 – 2,5 tháng rưỡi trong năm 2012 và 2013. Đây là thời gian chuyển tiếp từ thời kỳ đầu mùa mưa cho đến lúc mưa cực đỉnh nhất trong năm. Diện tích các lưu vực dao động trong phạm vi rộng từ một vài hecta đến hàng trăm nghìn hecta.
b. Phương pháp xác định lượng nước được rừng giữ lại trong mùa khô -Xác định lượng dòng chảy 6 tháng mùa khô:
Trong nghiên cứu này mỗi trạm thủy văn được xem là một điểm thu nước đầu ra của một hồ thuỷ điện. Lượng nước qua trạm thủy quan trắc thủy văn được xác định bằng việc phân tích đường quá trình lưu lượng.
Căn cứ vào phân bố lượng mưa theo các tháng trong năm có thể xác định được những tháng mùa khô cho từng nơi (6 tháng liên tục có lượng mưa thấp nhất).
-Xác định tổng lượng dòng chảy tăng thêm do rừng:
Sử dụng phương trình thực nghiệm có các nhân tố tác động để tính tổng lượng nước cho các mức che phủ rừng khác nhau sẽ xác định được tổng lượng dòng chảy tăng thêm do ảnh hưởng của rừng.
-Xác định diện tích rừng quy chuẩn:
Diện tích rừng quy chuẩn và tỷ lệ diện tích được xác định theo khả năng giữ nước của các trạng thái rừng.
Diện tích rừng quy chuẩn là diện tích rừng đã được hiệu chỉnh để có hiệu quả giữ nước tương đương với trạng thái rừng có hiệu quả giữ nước cao nhất - rừng tự nhiên.
- Xây dựng phương trình thực nghiệm liên hệ giữa sản lượng nước mùa khô với các nhân tố ảnh hưởng:
Phương trình liên hệ giữa sản lượng nước mùa khô với các nhân tố ảnh hưởng được xây dựng qua phân tích thống kê các số liệu thu thập được ở 66 trạm thủy văn về tổng lượng dòng chảy mùa khô, diện tích lưu vực, độ cao, độ dốc, lượng mưa và tỷ lệ che phủ rừng trong lưu vực.
- Xác định số mét khối nước được rừng giữ lại cung cấp vào dòng chảy trong mùa khô:
Số mét khối nước được rừng giữ lại để cung cấp trong mùa khô được xác định bằng việc thay đổi tỷ lệ che phủ rừng quy chuẩn từ 0 đến 100% trong phương trình thực nghiệm liên hệ giữa giữa các đại lượng này với các nhân tố ảnh hưởng.
c. Quy đổi giá trị dịch vụ môi trường rừng ở vùng thuỷ điện từ các chỉ tiêu lý sinh thành tiền
Sử dụng phương pháp giá thị trường. Theo đó, giá trị dịch vụ giữ nước của rừng được tính bằng khối lượng nước được rừng giữ lại cung cấp cho thuỷ điện trong trong 6 tháng mùa khô nhân với giá nước của thuỷ lợi phí.
d. Nghiên cứu phương pháp xác định hệ số hiệu chỉnh mức chi trả dịch vụ môi trường rừng K
Xác định những hệ số hiệu chỉnh K cho mức chi trả dịch vụ môi trường rừng theo các yếu tố về nguồn gốc rừng, mức giàu nghèo, cấp phòng hộ bằng phương pháp so sánh. Theo đó, hệ số K của một trạng thái rừng sẽ được xác định bằng tỷ lệ giữa giá trị môi trường của trạng thái rừng đó với giá trị môi trường của trạng thái rừng có hiệu quả môi trường tốt nhất.
Hệ số K sẽ được xác định riêng rẽ theo từng chỉ tiêu ảnh hưởng quyết định đến giá trị dịch vụ môi trường rừng gồm: loại rừng (rừng phòng hộ, đặc dụng hay sản xuất v.v...), nguồn gốc rừng (rừng tự nhiên hay rừng trồng), trạng thái rừng (rừng giàu, trung bình hay nghèo v.v...). Với một lô rừng cụ thể sẽ có 3 hệ số hiệu chỉnh về mức chi trả dịch vụ môi trường rừng: K1 theo loại rừng, K2 theo nguồn gốc rừng và K3 theo trạng thái rừng.
(1). Nguyên tắc xác định hệ số K
Nghị định 99/2010/NĐ-CP của Chính phủ quy định mức chi trả DVMTR phải được điều chỉnh theo hiệu quả môi trường của các khu rừng. Cùng một diện tích như nhau, nhưng hiệu quả môi trường của mỗi khu rừng có thể khác nhau phụ thuộc vào đặc điểm của chúng, trong đó có nguồn gốc rừng, trạng thái rừng và loại rừng. Thường thì hiệu quả môi trường của rừng tự nhiên sẽ lớn hơn so với rừng trồng, của rừng giàu sẽ lớn hơn so với rừng nghèo, rừng phòng hộ và đặc dụng sẽ lớn hơn rừng sản xuất. Vì vậy, để đảm bảo tính công bằng trong chi trả DVMTR cần phải hiệu chỉnh mức chi trả khác nhau theo đặc điểm của khu rừng. Hệ số dùng để hiệu chỉnh mức chi trả cho các khu rừng phù hợp với giá trị môi trường mà chúng tạo ra được gọi là hệ số hiệu chỉnh mức DVMTR. Nó thường được ký hiệu bằng chữ K, nên còn là hệ số K, hay hệ số hiệu chỉnh K. Theo cách tiếp cận trên, đề tài đã đưa ra những nguyên tắc xác định hệ số hiệu chỉnh K như sau.
+ Hệ số K phải thay đổi theo hiệu quả môi trường của khu rừng. Đây là một trong những nguyên tắc quan trọng nhất nhằm đảm bảo chi trả DVMTR mang tính công bằng và khuyến khích các chủ rừng tạo ra những dịch vụ môi trường ngày càng tốt hơn.
+ Hệ số K phải dễ áp dụng trong thực tiễn. Điều này đảm bảo rằng với cùng một lô rừng mọi người xác định hệ số K đều được kết quả như nhau, đồng thời mọi chủ rừng có thể tự xác định được hệ số K cho các lô rừng của mình.
+ Hệ số K phải hỗ trợ thúc đẩy việc chia sẻ quyền lợi và trách nhiệm của cộng đồng trong bảo vệ và phát triển rừng. Đây là nguyên tắc đảm bảo tính xã hội của hệ số K. Nó như một yếu tố góp phần giảm bớt những mâu thuẫn trong chia sẽ những nguồn lợi từ rừng, khuyến khích sự tham gia của cộng đồng vào quản lý bảo vệ rừng.
+ Hệ số K được xác định bằng phương pháp so sánh tương đối
Hệ số K của một loại rừng sẽ được tính bằng tỷ lệ giữa hiệu quả môi trường của nó với hiệu quả môi trường của loại rừng có hiệu quả môi trường cao nhất. Như vậy, hệ số K của loại rừng có hiệu quả môi trường cao nhất sẽ là 1,0; còn hệ số K của các loại rừng khác sẽ nhỏ hơn 1,0.
+ Hệ số K được xác định qua chỉ số liên quan đến hiệu quả môi trường Hệ số K được xác định bằng cách so sánh hiệu quả môi trường của hai loại rừng. Tuy nhiên, hiệu quả môi trường rừng thường khó xác định trực tiếp, nhưng nó lại liên hệ chặt với những chỉ số có thể đo đếm được. Vì vậy, trong thực tế hệ số K được xác định bằng việc so sánh các những chỉ số phản ảnh hiệu quả môi trường của các loại rừng, trạng thái và nguồn gốc rừng.
Chỉ số phản ảnh hiệu quả giữ nước của rừng.
Hiệu quả giữ nước của rừng đối với hồ thủy điện là hiệu quả lưu giữ và điều tiết nguồn nước nhận được trong những ngày mưa hoặc mùa mưa, sau đó