CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DÒNG CHẢY TỐI THIỂU VÀ LƯU VỰC SÔNG MÃ
1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu dòng chảy tối thiểu, dòng chảy môi trường ở các lưu vực sông
1.1.3 Tổng quan về các nghiên cứu dòng chảy tối thiểu
Nhƣ đã phân tích ở trên, dòng chảy tối thiểu bao gồm 2 thành phần sau:
- Thành phần 1: Dòng chảy cần thiết để duy trì điều kiện môi trường dòng sông hoặc đoạn sông nhằm bảo đảm sự phát triển bình thường của hệ sinh thái thủy sinh.
- Thành phần 2: Dòng chảy cần thiết cho hoạt động khai thác, sử dụng tài nguyên nước của các đối tượng sử dụng nước trên dòng sông hoặc đoạn sông.
10
1.1.3.1 Tổng quan về ứng dụng mô hình thủy văn thủy lực trong các nghiên cứu về dòng chảy lưu vực sông
Để tính toán xác định DCTT, cần phải xác định 2 thành phần dòng chảy: (1) Dòng chảy cho môi trường sinh thái và (2) dòng chảy cho nhu cầu nước. Trong đó việc tính toán chế độ dòng chảy cho các lưu vực sông, tính toán cân bằng nước, tính toán thủy văn...
là một phần không thể thiếu trong các nghiên cứu về dòng chảy tối thiểu hoặc dòng chảy môi trường. Tuỳ theo mục đích, nội dung nghiên cứu và tình hình số liệu để chọn lựa mô hình toán thủy văn, thuỷ lực. Dưới đây là một số ứng dụng các mô hình thủy văn, thủy lực để tính toán cho các mục đích khác nhau (bảng 1.2).
Bảng 1.2 Phân loại mô hình và mục đích của từng loại [13], [14]
Loại mô hình Mục đích
1. Các mô hình gốc a. Mô hình thuỷ văn
Mô hình: Mƣa~dòng chảy
- Tính toán chuỗi dòng chảy dùng trong mô hình cân bằng nước;
- Tính toán dòng chảy lũ
Các mô hình nước ngầm - Tính toán và đánh giá nguồn nước ngầm về trữ lượng, động thái;
- Tính toán biến động của mực nước ngầm do việc khai thác Các mô hình tính nhu cầu
nước cho cây trồng
- Tính toán nhu cầu nước cho các loại cây trồng theo các cơ cấu mùa vụ khác nhau
b. Các mô hình thủy lực
- Tính toán mực nước, lưu lượng theo dòng ổn định;
- Tính toán mực nước, lưu lượng theo dòng không ổn định;
- Tính toán xác định khả năng ngập lụt, các phương án cắt giảm lũ;
- Tính toán mực nước, lưu lượng theo dòng chảy nhiều chiều (2D, 3D) c. Mô hình cân bằng nước - Kiểm tra cân bằng cung/cầu, hỗ trợ trong việc phân phối nước, các quy tắc vận hành. Đánh giá các phương án phát triển tài nguyên nước 2. Các mô hình thành phần
a. Mô hình chất lƣợng nước
- Dự báo mức pha loãng và khuếch tán chất gây ô nhiễm theo thời gian và không gian với lưu lượng xả khác nhau
b. Mô hình bồi lắng - Mô phỏng tốc độ chuyển bùn cát và xói mòn;
- Dự đoán tốc độ tích tụ bùn cát trong các hồ chứa
c. Mô hình kinh tế - Xác định giá trị kinh tế của nước hoặc so sánh các phương án phát triển trên mặt bằng kinh tế
Để đánh giá chế độ dòng chảy trong mùa cạn ở hạ du các lưu vực sông cần tính toán trong một diễn biến dài hạn (5 năm, 10 năm, 20 năm hoặc lâu hơn nữa), do đó trong các nghiên cứu thường sử dụng các mô hình thủy lực để mô phỏng, tính toán và đánh giá. Hiện nay có rất nhiều mô hình có thể ứng dụng cho việc tính toán chế độ dòng chảy ở hạ du trong mùa cạn nhƣ mô hình VRSARP, HEC-RAS, MIKE11 và nhiều mô hình khác nữa. Trong đó 3 mô hình VRSARP, HEC-RAS, MIKE11 đƣợc ứng dụng
11
nhiều ở Việt Nam trong những năm gần đây, ƣu nhƣợc điểm của 3 mô hình nhƣ sau:
Bảng 1.3 Phân tích, so sánh các mô hình
Hạng mục VRSAP HEC-RAS MIKE 11
Điều kiện ứng dụng Mạng sông hở Mạng sông hở Mạng sông hở
Tính toán thủy văn Không Không Không
Thiết lập mạng sông, điểm tính toán
Chỉ mang tính minh họa.
Người sử dụng phải nhập các dữ liệu về khoảng cách giữa 2 mặt cắt
Chỉ mang tính minh họa.
Người sử dụng phải nhập các dữ liệu về khoảng cách giữa 2 mặt cắt
Có tọa độ xác định.
Mô hình có thể xác định khoảng cách giữa 2 điểm, 2 mặt cắt
Mặt cắt ngang
Phù hợp với mặt cắt hở.
Độ nhám của mặt cắt có thể thay đổi cho phần lòng sông và bãi tràn theo chiều ngang
Phù hợp với mặt cắt hở.
Độ nhám của mặt cắt có thể thay đổi cho phần lòng sông và bãi tràn theo chiều ngang
Phù hợp với mặt cắt hở. Độ nhám của mặt cắt có thể thay đổi tại từng điểm của chiều ngang và chiều đứng Các khu trữ nước (ô
ruộng)
Nối với hệ thống sông bằng các công trình bên
Thiết lập trực quan. Nối với hệ thống sông bằng các công trình bên
Không trực quan, đƣợc ẩn chứa nhƣ một thuộc tính trong mặt cắt ngang
Các công trình trên sông
Có thể tính toán cho đập tràn, cống, cầu giao thông với các hình dạng khác nhau.
Có thể tính toán cho đập tràn, cống, cầu giao thông với các hình dạng khác nhau
Có thể tính toán cho đập tràn, cống, cầu giao thông với các hình dạng khác nhau
Trạm bơm
Bơm nước vào hoặc ra khỏi sông. Không có loại bơm từ sông này sang sông khác. Mỗi trạm bơm chỉ có 1 máy bơm duy nhất. Tại 1 nút có thể khai báo nhiều trạm bơm
Bơm nước từ ô ruộng này sang ô ruộng khác, hoặc từ ô ruộng ra sông hoặc cũng có thể từ sông này sang sông khác. Có thể chia thành nhóm, mỗi nhóm có thể có nhiều máy bơm
Bơm nước vào hoặc ra khỏi sông. Không có loại bơm từ sông này sang sông khác.
Mỗi trạm bơm chỉ có 1 máy bơm duy nhất.
Tại 1 nút có thể khai báo nhiều trạm bơm Điều kiện biên Bắt buộc phải có tại các
biên hở
Bắt buộc phải có tại các biên hở
Bắt buộc phải có tại các biên hở
Công trình điều khiển Mô tả công trình điều khiển chi tiết
Dạng công trình không điều khiển, đƣợc lồng ghép vào điều kiện biên
Mô tả công trình điều khiển chi tiết
Môi trường ứng dụng DOS WINDOWS WINDOWS
Sau khi nghiên cứu ƣu nhƣợc điểm của các mô hình, trong Luận án này sẽ lựa chọn mô hình MIKE11 để tính toán thủy văn, thủy lực và xâm nhập mặn cho vùng nghiên cứu.
1.1.3.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu dòng chảy môi trường a. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Trên thế giới, nghiên cứu về dòng chảy môi trường đã phát triển mạnh mẽ kể từ những
12
năm 1990 với tốc độ tăng lên theo cấp số nhân [3]. Đây là khoảng thời gian mà một số nghiên cứu quan trọng xuất hiện, tập trung vào chế độ dòng chảy tự nhiên và khôi phục lại dòng chảy. Nghiên cứu về DCMT bao gồm một tập hợp đa dạng về kỹ thuật, với rất nhiều phương pháp đang được sử dụng rộng rãi và có thể phân loại thành 4 nhóm sau:
1. Phương pháp thuỷ văn;
2. Phương pháp đánh giá thuỷ lực;
3. Phương pháp mô phỏng môi trường sống;
4. Phương pháp tổng thể và sử dụng chuyên gia.
Bốn cách tiếp cận nêu trên có những sự khác biệt đáng kể, dựa vào các quan điểm khác nhau về việc làm thế nào để duy trì trạng thái nguyên vẹn sinh học của các con sông.
Cụ thể, các phương pháp đánh giá thuỷ văn, thuỷ lực cho rằng sự suy giảm lượng nước sẽ làm giảm môi trường sống có sẵn và suy giảm chức năng của hệ sinh thái. Trong khi đó, các kỹ thuật về mô phỏng môi trường sống đã đưa ra giả thuyết rằng có một dòng chảy tối ƣu nơi mà chức năng của hệ sinh thái đƣợc duy trì [15]. Cụ thể sự khác biệt của các phương pháp sẽ được trình bày chi tiết dưới đây.
a1. Phương pháp thuỷ văn
Phương pháp thuỷ văn được xem là phương pháp đơn giản nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn thế giới [2]. Phương pháp thuỷ văn còn được biết đến với các khái niệm như “phương pháp dựa vào lịch sử dòng chảy” hay “phương pháp lưu lượng’’
[15], [16]. Ngoài ra còn được gọi là “phương pháp phân tích dựa vào bảng” hay
“phương pháp nội nghiệp”.
Đây là phương pháp dễ tiếp cận và chi phí thấp vì không cần quá trình đi ngoại nghiệp.
Các dữ liệu về thuỷ văn, dữ liệu về địa hình, dữ liệu của dòng chảy đƣợc ghi lại theo chuỗi thời gian đƣợc phân tích để xác định chỉ số độ lệch chuẩn của dòng chảy. Chuỗi số liệu có thể là giá trị trung bình ngày, tuần, 10 ngày hoặc tháng. Phương pháp này kết hợp sự đánh giá của chuyên gia dựa trên những hiểu biết về thủy văn, đặc điểm của dòng chảy, của một số loài cá chính và mức độ dòng chảy có thể duy trì hệ sinh thái thủy sinh ở mức độ chấp nhận đƣợc hoặc dòng chảy mong muốn. Từ kết quả phân tích về chỉ số độ lệch chuẩn của dòng chảy sẽ đƣa ra dòng chảy tối ƣu. Trong một vài
13
trường hợp, tiêu chuẩn thứ hai được đề cập tới là lưu lượng nước biến đổi, thuỷ lực, các thông số về sinh học, địa mạo học không đảm bảo được tương thích với nhau trong phương pháp này. Phương pháp thủy văn thực hiện trên một mối quan hệ giữa dòng chảy và một số chỉ số sinh học nhất định. Như vậy, phương pháp này thực hiện không có sự tham vấn với các đối tượng sử dụng nước.
Phương pháp thủy văn là phương pháp đầu tiên được phát triển để đánh giá dòng chảy môi trường và đang được ứng dụng rộng rãi. Có khoảng 30% các phương pháp đánh giá thuộc nhóm phương pháp này [2]. Với ưu điểm cho kết quả phân tích nhanh, đưa ra ước tính với độ phân giải thấp cho dòng chảy, đây được coi là phương pháp chính trong việc lập kế hoạch về phát triển nguồn nước và dùng nhiều ở các viện nghiên cứu.
Phương pháp thủy văn bao gồm một số phương pháp như:
Phương pháp Tennant [17] dựa trên cơ sở xác định dòng chảy môi trường là giá trị dòng chảy tối thiểu đƣợc tính bằng số % của lƣợng dòng chảy trung bình nhiều năm của lưu vực sông tại tuyến tính toán (Qo) tuỳ theo mức độ mong muốn chất lượng môi trường của dòng sông (ví dụ: rất kém, kém, tốt hay rất tốt).
Bảng 1.4 Tỷ lệ phần trăm (%) của dòng chảy năm trung bình nhiều năm (Qo) dùng cho tính toán dòng chảy môi trường theo phương pháp Tennant [17]
Mục tiêu bảo vệ môi trường và hệ sinh thái của sông
% Qo để tính dòng chảy MT Xuân - Hạ Thu - Đông
Môi trường sông ở mức tuyệt đối hay hoàn hảo 40 60
Môi trường sông ở mức rất tốt 30 50
Môi trường sông ở mức tốt 20 40
Môi trường sông ở mức trung bình hoặc đang bị suy giảm 10 30
Môi trường sông ở mức kém hoặc tối thiểu 10 10
Sông ở mức suy thoái rất nặng 10 tới 0 10 tới 0
Phương pháp ngưỡng thời gian và tần suất thống kê dòng chảy thấp: Phương pháp ngƣỡng thời gian dòng chảy xác định khoảng thời gian dòng chảy duy trì ở một mức lưu lượng nhất định trong các con sông hoặc khu vực cụ thể. Các ngưỡng thời gian đƣợc tính toán dựa trên dữ liệu nhiều năm, tốt nhất là hơn 20 năm [18]. Ngƣỡng dòng chảy sau đó có thể đƣợc hiệu chỉnh từ dữ liệu thực tế (sàng lọc theo quan điểm của chuyên gia) mô tả các mức lưu lượng yêu cầu để hỗ trợ tính toàn vẹn hệ sinh thái thủy sinh. Thông thường, các chỉ số dựa trên ngưỡng thời gian dòng chảy được gọi bằng
14
một ký hiệu Qx, trong đó x là phần trăm mực nước cần được giữ lại trong dòng chảy (trong một số trường hợp là số ngày vượt ngưỡng). Ví dụ, Q95 đề cập đến một mức độ dòng chảy tương đối thấp (nghĩa là dòng chảy cần được duy trì ở mức độ 95% lưu lƣợng trong suốt thời gian) và Q50 là một mức độ dòng chảy cao hơn nhiều.
Một số ứng dụng của phương pháp thủy văn:
- Ở Mỹ đã sử dụng chỉ số Tennant (1976) để tính dòng chảy môi trường cho hàng trăm con sông ở các bang vùng Trung - Tây nước Mỹ. Tennant [17] đã dựa trên dữ liệu hiện trường ban đầu thu thập từ 11 con sông (58 mặt cắt, 38 nhánh sông khác nhau) ở Montana, Nebraska và Wyoming và tiếp tục bổ sung thêm dữ liệu từ hàng trăm phác đồ dòng chảy hiệu chỉnh ở 21 bang, đã đề nghị giá trị phần trăm của MAF (Mean annual flow - lưu lượng trung bình năm) để duy trì thuộc tính sẵn có của hệ sinh thái. Cụ thể, 10% của MAF đƣợc coi là dòng tức thời thấp nhất để duy trì sự tồn tại ngắn hạn của hệ thủy sinh, trong khi vợt quá 30% MAF đƣợc coi là dòng chảy có thể duy trì đƣợc sự toàn vẹn sinh học của hệ sinh thái sông.
Tennant [17] đề nghị các dòng chảy của MAF theo thời gian dòng chảy "thấp" và "cao"
tương ứng vào tháng 10 ÷ tháng 3 và tháng 4 ÷ tháng 9, cho các khu vực ứng dụng phương pháp này (như Bắc - Trung Mỹ). Ở các khu vực khác, tùy theo vùng mà điều chỉnh thời điểm áp dụng thời kỳ dòng chảy thấp và cao tương ứng với mùa cụ thể. Ví dụ: Theo Orth và Maughan [19] điều chỉnh thời gian dòng chảy thấp (10% của MAF) vào tháng 7 ÷ tháng 12 tại Oklahoma, Mỹ.
Các biến thể của phương pháp Tennant ban đầu cũng được ứng dụng tại một số quốc gia khác. Một biến thể nữa của phương pháp Tennant là sử dụng ngưỡng thời gian thường xuyên hơn. Tessman [20] đề nghị ngưỡng thời gian hàng tháng tức là lưu lượng trung bình tháng (Mean Monthly Flow - MMF) để xác định mức độ dòng chảy.
Tessman khuyến cáo quy tắc xác định dòng chảy tối thiểu nhƣ sau:
1) MMF, nếu MMF < 40 % MAF;
2 ) 40 % MAF, nếu 40 % MAF < MMF < 100% MAF; và, 3) 40 % MMF, nếu MMF > MAF.
- Một chỉ số thủy văn thường được sử dụng để xác định ngưỡng dòng chảy tối thiểu là
15
7Q10 (và các biến thể 7Q2), dựa trên một phân tích lưu lượng tần số thống kê. Giá trị 7Q10 đƣợc tính nhƣ dòng chảy thấp nhất trong bảy ngày liên tiếp trong thời gian trở lại 10 năm và có một khoảng thời gian quay trở lại 2 năm cho 7Q2 [18]. Mặc dù 7Q10 đầu tiên được thiết kế để bảo vệ chất lượng nước theo Đạo luật nước sạch Liên bang của Mỹ [21] nhưng nó lại được sử dụng ở một số nơi để suy luận về lượng nước trong đánh giá dòng chảy môi trường [22]. Giá trị 7Q10 được sử dụng phổ biến ở Brazil [2] và đƣợc sử dụng khá rộng rãi ở miền Đông Hoa Kỳ [21]. Trong khi 7Q2 đƣợc áp dụng chủ yếu ở Quebec [18]. 7Q2 thường ứng dụng cho dòng chảy cao hơn một chút so với 7Q10 vì khoảng thời gian lặp lại là 2 năm thay vì 10 năm [18]. Trên các sông của Quebec, 7Q2 đại diện cho khoảng 33% của MAF [16]. Khi tiến hành so sánh các thử nghiệm một loạt các phương pháp thủy văn trên cơ sở thống kê nghiêm ngặt, 7Q10 và 7Q2 liên tục cho ra các dòng chảy thấp nhất [18]. Do đó, việc sử dụng ngƣỡng dòng chảy tối thiểu 7Q10 và 7Q2 là không phù hợp trong bảo vệ hệ sinh thái thủy sinh.
Điểm mạnh, điểm yếu và các yêu cầu dữ liệu của phương pháp thủy văn: Đây là phương pháp đơn giản, nhanh và chi phí thấp nhất để cung cấp thông tin về ngưỡng mức độ dòng chảy. Phương pháp thủy văn trong đánh giá dòng chảy tối thiểu cũng không nhất thiết đòi hỏi nhiều nghiên cứu thực địa như các phương pháp khác, nhưng phương pháp này không đưa ra được các chế độ dòng chảy đáng tin cậy. Tuy nhiên, phương pháp này có thể sử dụng phối hợp với các phương pháp khác như là một phần của một phương pháp tiếp cận để đưa ra dòng chảy hợp lý hơn. Trong một số trường hợp, các phương pháp thủy văn đã được đề xuất ứng dụng ở mức độ quy hoạch, hoặc thiết lập dòng chảy mục tiêu sơ bộ ở mức độ rủi ro thấp, ít tranh cãi nhƣng không khuyến khích áp dụng cho các nghiên cứu đòi hỏi một mức độ chi tiết cao [2], [23].
a2. Phương pháp đánh giá thuỷ lực
Phương pháp đánh giá thuỷ lực còn được gọi là phương pháp duy trì môi trường sống hoặc là phương pháp thuỷ lực hình học [2] [24]. Đây là phương pháp dựa vào mối quan hệ giữa số liệu đo đạc của các dòng sông (thường đo chu vi vùng nước ngập hoặc độ sâu của sông) và lưu lượng dòng chảy [15].
Các phương pháp tiếp theo dựa vào phương pháp đánh giá thuỷ lực thừa nhận rằng số liệu đo thuỷ lực có liên quan trực tiếp hay gián tiếp đến số lƣợng các loài trong môi
16
trường sống, đặc biệt cho các loài ưu tiên, phần lớn dành riêng cho cá [25] [26] hoặc liên quan đến chức năng sinh thái của cả dòng sông [27]. Ví dụ, độ sâu sẽ xác định sự hiện diện của cá do kích thước và chu vi của vùng nước ngập sẽ ảnh hưởng tới việc phát triển của cá. Phương pháp phổ biến nhất được dùng là phương pháp xác định chu vi vùng ngập nước. Đây là phương pháp sử dụng mặt cắt ngang chu vi vùng bị ngập nước tại một điểm trên sông [2]. Phương pháp đánh giá thuỷ lực được ứng dụng phổ biến tại Mỹ và Canada.
Nhiệm vụ trước hết của phương pháp thủy lực là thành lập mối quan hệ giữa lưu lượng dòng chảy của sông và chu vi vùng nước ngập. Sau đó dùng mối liên hệ này, để xác định các điểm uốn. Tại vị trí mà quan hệ chu vi ướt và lượng nước trong sông xuất hiện điểm uốn sẽ có chu vi mặt cắt ướt lớn nhất, đó cũng là giá trị lưu lượng làm ngập bãi và vùng ngập nước ven sông. Giá trị lưu lượng tại vị trí này được phân tích, xem xét và có thể lấy làm giá trị dòng chảy môi trường cần duy trì trong sông.
Phương pháp đánh giá thuỷ lực yêu cầu một lượng dữ liệu giới hạn từ yêu cầu đề ra với con sông để thành lập mối liên hệ giữa đối tƣợng thuỷ lực cần xác định (chẳng hạn chu vi của vùng ngập nước) và lưu lượng. Dữ liệu có thể thu thập nhiều lần để xác định mặt cắt ngang của dòng chảy hoặc có thể tạo ra từ mô hình thuỷ lực một chiều.
Phương pháp đánh giá thuỷ lực phụ thuộc nhiều vào hình dạng của các con sông. Do vậy phương pháp này có thể sẽ khó hoặc không thể chỉ ra được điểm uốn để xác định dòng chảy. Thông thường, phương pháp đánh giá thuỷ lực được thiết kế cho các sông đơn, không phù hợp áp dụng cho các sông phân nhánh [15].
Một số áp dụng của phương pháp thủy lực:
- Trên cơ sở của phương pháp thủy lực, Shang [28] đã phát triển 02 phương pháp trên nền toán học, phương pháp thủy lực và kết luận rằng hai phương pháp này đều không cung cấp các giá trị phù hợp cho dòng chảy môi trường tối thiểu. Từ những tính toán theo các phương pháp phát triển này, tác giả đã khuyến nghị dòng chảy môi trường tối thiểu là 21% của MAF cho một dòng sông trong trường hợp nghiên cứu ở Trung Quốc.
- Tại Minnesota, O'Shea [29] đề nghị lưu lượng dựa trên các phương pháp chu vi mặt cắt ướt tương ứng là 39% đến 122% của MAF, và nói chung, điểm uốn giảm khi kích thước dòng chảy tăng (tính theo% MAF).