CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH DÒNG CHẢY TỐI THIỂU HẠ DU SÔNG MÃ
2.2 Xây dựng phương pháp xác định dòng chảy tối thiểu cho hạ lưu sông Mã
2.2.2 Phương pháp mô hình toán để mô phỏng và tính toán chế độ dòng chảy
Theo báo cáo quy hoạch thủy lợi lưu vực sông Mã [76], lưu vực sông Mã được chia thành 8 vùng cấp nước. Trong đó các vùng thượng nguồn dòng chính sông Mã đến Cẩm Thủy, vùng thượng nguồn sông Chu đến Cửa Đạt, vùng thượng nguồn sông Bưởi đến Thạch Quảng nguồn nước cấp cho các ngành chủ yếu là từ các hồ đập trên các nhánh sông suối nhỏ. Mặt khác trong nghiên cứu này, các biên đƣa vào tính toán trên sông Mã tại trạm thủy văn Cẩm Thủy, sông Chu tại trạm thủy văn Cửa Đạt, sông Bưởi tại Thạch Quảng là đã tính toán đến việc khai thác, sử dụng nước ở thượng nguồn.
Đối với vùng hạ du sông Mã, một trong những yếu tố ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy ở hạ du sông Mã là do việc khai thác, sử dụng nước từ các công trình lấy nước trực tiếp trên sông Mã, sông Chu và các sông khác. Vì vậy, việc xác định nhu cầu nước cho vùng hạ du sông Mã trong nghiên cứu này sẽ tập trung vào xác định nhu cầu nước tại các vị trí lấy nước trực tiếp trên sông. Phương pháp xác định như sau:
- Điều tra, khảo sát quá trình hoạt động của các công trình lấy nước dọc sông vùng hạ du, xác định nhu cầu khai thác thực tế của các công trình từ năm 2010 đến 2015.
- Kết quả điều tra, đã xác định được nhu cầu nước tại các nút tính toán ở vùng hạ du sông Mã. Kết quả như sau: Tổng cộng có 188 công trình lấy nước trực tiếp từ hạ du sông Mã, sông Chu, sông Bưởi, sông Lèn. Trong đó có 186 công trình là trạm bơm, 2 công trình là cống lấy nước; tổng diện tích tưới của các công trình là 86.476,2 ha, với tổng lưu lượng khai thác là 118,52 m3/s (chi tiết tại Bảng 4, Phụ lục 3).
Trong điều kiện thực tế nguồn nước hiện nay đang bị suy giảm nghiêm trọng, các công trình lấy nước vận hành khó khăn, nên khả năng đáp ứng nhu cầu nước của các CTTL cũng đã tiệm cận với nhu nước tối thiểu. Vì vậy, trong Luận án xác định lượng nước khai thác thực tế từ 2010÷2015 là lượng nước tối thiểu cho nhu cầu nước các ngành.
65
Dựa vào kết quả điều tra, khảo sát tại các công trình lấy nước vùng hạ du sông Mã, trong nghiên cứu này chia thành 25 nút lấy nước chính (chi tiết tại Bảng 5, Phụ lục 3).
Biểu đồ vận hành thực tế của một số công trình lớn lấy nước trong mùa kiệt trên sông Mã đƣợc trình bày tại Hình 1, 2, 3 Phụ lục 3.
b. Phương pháp mô hình mô phỏng, tính toán chế độ dòng chảy sông Mã
Mục đích của bài toán thủy lực mùa cạn:
Như đã trình bày trong mục 1.2.1 Chương 1, trên dòng chính sông Mã chỉ có trạm thủy văn Cẩm thủy là quan trắc đầy đủ về mực nước, lưu lượng, ở phía hạ du có trạm thủy văn Lý Nhân, Giàng và Quảng Châu chỉ quan trắc mực nước, không quan trắc lưu lƣợng. Mặt khác một số đoạn sông nhƣ đoạn từ ngã ba Vĩnh Khang (sông Mã - sông Bưởi) đến ngã ba Bông (sông Mã - sông Lèn) không có trạm quan trắc.
Vì vậy, trong Luận án đã sử dụng mô hình thủy lực để tính toán, mô phỏng lại diễn biến dòng chảy trong mùa cạn chuỗi năm trong quá khứ làm cơ sở phân tích, xác định dòng chảy cho nhu cầu giao thông thủy, dòng chảy tối thiểu cho môi trường sinh thái và lựa chọn dòng chảy tối thiểu phù hợp cho các đoạn sông, cũng nhƣ đề xuất các giải pháp duy trì dòng chảy tối thiểu.
Giới thiệu về mô hình thủy lực:
Lựa chọn mô hình là khâu đầu tiên rất quan trọng trong phương pháp mô hình toán, nó phụ thuộc vào yêu cầu công việc, điều kiện về tài liệu cũng nhƣ tiềm năng tài chính và nguồn nhân lực sẵn có. Trên thế giới hiện nay có rất nhiều mô hình toán đang đƣợc sử dụng (đã trình bày trong Mục 1.1.3.1, Chương 1 của Luận án). Trong nghiên cứu này, với mục tiêu mô phỏng và tính toán chế độ dòng chảy sông Mã, nghiên cứu sinh lựa chọn bộ phần mềm MIKE 11.
Cụ thể việc xây dựng mô hình MIKE 11 tính toán thủy lực mùa cạn cho hạ du lưu vực sông Mã đƣợc trình bày trong mục 2.4.
c. Phương pháp mô hình mô phỏng, tính toán dòng chảy sinh thái
Mục đích sử dụng mô hình sinh thái:
Sử dụng mô hình sinh thái để dự báo và xác định lưu lượng dòng chảy cho các đoạn
66
sông, đảm bảo cho hệ sinh thái thủy sinh của các đoạn sông đó tồn tại và phát triển.
Trên cơ sở diễn biến dòng chảy thực tế (đƣợc xác định dựa trên số liệu thực đo và tính toán bằng mô hình thủy lực của chuỗi năm từ 1980÷2015), các loài đặc trƣng cho hệ sinh thái thủy sinh vùng hạ du sông Mã, điều kiện thể nền...
Giới thiệu mô hình sinh thái:
Để xác định dòng chảy sinh thái vùng hạ du sông Mã, Luận án sử dụng mô hình RHYHABSIM (River HYdraulic HABitat SIMulation) để dự báo điều kiện dòng chảy và sự thay đổi dòng chảy ảnh hưởng đến môi trường sống sẵn có đối với một số loài cá.
Mô hình RHYHABSIM đƣợc thiết kế vào những năm 1980 bởi Ian Jowett và đƣợc ứng dụng rộng rãi ở NewZealand và một số nước châu Âu. RHYHABSIM là một phần mềm ứng dụng mở, có thể tải và sử dụng ứng dụng một cách dễ dàng, thuận tiện tại http://folk.uio.no/lena/CD1/Final_CD/Software/RHYHABSIM/RHYHABSIM_program/
?C=D;O=A. RHYHABSIM là mô hình sinh thái - thủy lực với nguồn gốc từ mô hình PHABSIM - sinh cảnh, để đánh giá môi trường sống có sẵn trong sông cho cá hoặc động vật không xương sống ở các mức độ khác nhau và ở những dòng chảy khác nhau (Hình 2.27). Sự khác biệt giữa hai mô hình là RHYHABSIM đƣợc đơn giản hóa, hạn chế số lƣợng đầu vào, để có một mô hình dễ sử dụng hơn, trong khi vẫn cung cấp các kết quả chính xác.
Phương pháp xác định:
Dự báo môi trường sống của các loài cá đó được định lượng bằng cách sử dụng chỉ số diện tích sử dụng có trọng số (WUA - Weighted Usable Area - vùng mà mức độ phù hợp của môi trường sống với sinh vật đánh giá được xác định). Phương pháp kết hợp số liệu về số lượng và chất lượng tương đối của môi trường sống sẵn có ở một dòng chảy nhất định đƣợc áp dụng để tính WUA. WUA thể hiện nhƣ một khu vực có môi trường sống thích hợp trên mỗi chiều dài hoặc độ sâu của dòng chảy (m2/m).
67
Hình 2.22: Diện tích sinh thái của một điểm khảo sát đại diện trên một đoạn sông
Hình 2.23: Lựa chọn dòng chảy tối thiểu tại điểm mà môi trường sống bắt đầu giảm mạnh với sự suy giảm dòng chảy
Phân tích môi trường thủy sinh bắt đầu bằng cách chọn một loài, xác định quy mô, chu kỳ sống và hành vi cụ thể cũng nhƣ các tiêu chí phù hợp. Đối với mỗi điểm khảo sát (Hình 2.22) vận tốc, độ sâu, tính chất thể nền, và có thể có các thông số khác của dòng chảy đƣợc chuyển thành các chỉ số phù hợp cho mỗi tham số. Các chỉ số phù hợp sau đó có thể được kết hợp (thường là nhân với nhau) và nhân với diện tích mà chúng đại diện để tạo ra một khu vực sống. Tất cả các khu vực sống có thể sử dụng, đƣợc tổng
Chiều dài Chiều rộng
Chiều dài Vận tốc
Độ sâu
0 2 4 6 8 10
0 5 10 15 20 25
WUA (m2/m)
Vận tốc/ lưu lượng Cực đại
Điểm mà MT sống bắt đầu giảm mạnh với sự suy giảm dòng chảy
68
kết để cung cấp cho khu vực sử dụng có trọng số - WUA (m2/m) để đạt đƣợc ở dòng chảy nhất định. Nếu sự phù hợp WUA> 0, điểm sẽ đóng góp vào tổng diện tích, nhƣng nếu WUA=0, tức là điểm đó không có đóng góp. Toàn bộ quy trình này sau đó đƣợc lặp lại cho tất cả các điểm trên mỗi mặt cắt để tạo ra một biểu đồ WUA của dòng chảy cho các loài nhất định. Biểu đồ này có một hình dạng điển hình, thể hiện trong Hình 2.28 với phần tăng tối đa và sau đó có thể giảm xuống. Sự suy giảm xảy ra khi vận tốc hoặc độ sâu vƣợt quá mức ƣu tiên của từng loài và giai đoạn cuộc sống.
Mối liên hệ giữa môi trường sống và dòng chảy (Hình 2.23) có thể được sử dụng để xác định một phạm vi lưu lượng phù hợp, lưu lượng tối thiểu hoặc lưu lượng tối ưu.
Giống như phương pháp thủy lực, dòng chảy tối thiểu có thể được định nghĩa là điểm uốn hoặc là dòng chảy tại đó môi trường sống đã giảm đến một tỷ lệ phần trăm nhất định theo giá trị trung bình. Nó cũng có thể đƣợc định nghĩa là dòng chảy có mức sống tối thiểu có thể chấp nhận được trong môi trường tuyệt đối. Nếu lưu lượng tối thiểu ở trên môi trường sống tối đa của một loài nhất định, thì diện tích môi trường sống của các loài đó sẽ ít hơn trong hầu hết thời gian. Thường thì điều này không quan trọng bởi vì tốc độ thay đổi môi trường sống với dòng chảy là ít hơn ở dòng chảy lớn (Hình 2.23) và sự khác biệt giữa môi trường sống tối đa và môi trường sống ở dòng chảy lớn là tương đối nhỏ. Trong trường hợp nghiên cứu cụ thể này:
- Đặc điểm thủy văn của dòng chảy nhƣ xác định giá trị tức thời tại thời điểm khảo sát:
vị trí tọa độ, mực nước, độ sâu, lưu lượng của các điểm trên mỗi mặt cắt của đoạn sông nghiên cứu;
- Phân tích số liệu trong chuỗi số liệu 1980÷2015 để tính toán giá trị dòng chảy tối thiểu trung bình năm và dòng chảy tối thiểu trung bình 7 ngày. Giá trị này, sau đó đƣợc sử dụng làm cơ sở để xác định dòng chảy yêu cầu của mỗi đoạn sông nghiên cứu;
- Khảo sát và lựa chọn loài cá chỉ thị cho hệ sinh thái thủy sinh khu vực nghiên cứu.
Trong nghiên cứu này 5 loài cá đƣợc lựa chọn (đƣợc trình bày trong Mục 2.4.1).
Nghiên cứu đã sử dụng mô hình RHYHABSIM để thiết lập giới hạn dòng chảy sinh thái tối thiểu cho sông Mã. Quá trình này sử dụng các kết quả mô hình thủy động lực MIKE11 để xác định dòng chảy sinh thái tối thiểu yêu cầu giúp cân bằng khai thác nguồn nước. Quá trình thực hiện chủ yếu gồm hai bước:
69
- Xác định điểm mà tại đó môi trường sống của các loài thủy sinh lựa chọn giảm đáng kể do suy giảm lưu lượng. Điểm đó được gọi là điểm uốn trên đường cong môi trường sống × phản ứng với dòng chảy (WUA);
- Xác định dòng chảy cơ sở và đánh giá môi trường sống tương quan với dòng chảy đó, thường là dòng chảy trung bình thấp nhất hàng năm (MALF).
Dòng chảy theo mùa (nhất là dòng chảy thấp) không phải là yếu tố giới hạn trong môi trường sống vật chất của các loài cá. Điều này được xác định lưu lượng tối ưu cho một loài nhất định ít hơn lưu lượng dòng chảy trung bình hàng năm (Hình 2.24). Sử dụng dòng chảy × đường cong WUA, dòng chảy tối thiểu thường được chọn làm điểm uốn;
nơi mà mối quan hệ giữa dòng chảy và môi trường sống là 1:1. Ở các dòng chảy dưới điểm uốn này, sự giảm lưu lượng làm giảm đáng kể môi trường sống, làm tăng nguy cơ mất sinh cảnh cho các loài quan tâm quản lý.
Hình 2.24: WUA ở MT sống điển hình nơi có MT sống tối ưu nằm dưới MALF Trong các hệ thống sông lớn nhƣ sông Mã, các chế độ dòng chảy có thể theo mùa, và mùa Hè thường có dòng chảy thấp, sẽ hạn chế tổng lượng cá tồn tại trong sông. Trong những trường hợp này, dòng chảy tối ưu cho một loài nhất định có thể lớn hơn MALF (Hình 2.25). Do đó, mức độ yêu cầu cho môi trường thủy sinh tối ưu trong năm bất kỳ có thể sẽ là môi trường sống có sẵn ở MALF. Trong trường hợp đó, môi trường sống tối ƣu là không thích hợp để xem xét khi đánh giá dòng chảy tối thiểu.
Lưu lượng (m3/s)
70
Hình 2.25: Đường cong WUA ở nơi mà dòng chảy cho MT sống tối ưu ở trên MALF Đối với các hệ thống sông này, đường cơ sở, hoặc điểm khởi đầu, để đánh giá lưu lượng dòng chảy tối thiểu là MALF và môi trường sống được đánh giá như là phần trăm của môi trường sống có sẵn tại MALF (Hình 2.26).
Hình 2.26: WUA của môi trường sống theo tỷ lệ phần trăm MALF có sẵn
Phương pháp sử dụng dòng chảy thấp nhất trung bình hàng năm (MALF) hoặc dòng chảy thấp nhất trung bình 7 ngày hàng năm (MALF7ngày) làm tiêu chí để xác định dòng chảy sinh thái tối thiểu, dựa trên các kết quả mô hình RHYHABSIM đã đƣợc áp dụng cho một số nghiên cứu. Đối với vùng hạ du sông Mã, nơi có lưu lượng thấp hàng năm không thể cung cấp điều kiện tối ưu, do đó thiết lập dòng chảy tối thiểu ở môi trường sống tối ưu là không thực tế. Cách tiếp cận là phân tích hướng lựa chọn cho các trường hợp tương tự bằng cách sử dụng cả dữ liệu môi trường sống hiện trạng và dữ liệu dòng chảy lịch sử để đƣa ra các khuyến cáo dòng chảy sinh thái tối thiểu có tính thực tế.
Lưu lượng (m3/s)
Lưu lượng (m3/s)
71
Điều quan trọng là phải xem xét điều kiện tự nhiên mà không có sự ảnh hưởng của hoạt động lấy nước từ dòng chảy khi thiết lập giá trị dòng chảy sinh thái tối thiểu.