Quá trình khai thác nguồn nƣớc đã hình thành hệ thống các công trình thuỷ lợi. Những công trình thuỷ lợi đƣợc xây dựng đã làm thay đổi đáng kể những đặc điểm tự nhiên của hệ thống nguồn nƣớc.
Mức độ khai thác nguồn nƣớc càng lớn thì sự thay đổi thuộc tính tài nguyên nƣớc càng lớn và chính nó lại ảnh hƣởng đến quá trình khai thác sử dụng nƣớc của con ngƣời. Chính vì vậy, khi lập các quy hoạch khai thác nguồn nƣớc cần xem xét sự tác động qua lại giữa tài nguyên nƣớc, phƣơng thức khai thác và các biện pháp công trình.
Theo quan điểm hệ thống ngƣời ta định nghĩa hệ thống nguồn nƣớc nhƣ sau: “Hệ thống nguồn nƣớc là một hệ thống phức tạp bao gồm tài nguyên nƣớc, các công trình khai thác nguồn nƣớc, các yêu cầu về nƣớc cùng với mối quan hệ tƣơng tác giữa chúng và chịu tác động của môi trƣờng lên nó [9].
(1) Nguồn nƣớc đƣợc đánh giá bởi các đặc trƣng: lƣợng và phân bố của nó theo không gian và thời gian, chất lƣợng nƣớc, động thái của chúng.
(2) Các biện pháp khai thác và bảo vệ nguồn nƣớc: các công trình thuỷ lợi, các biện pháp cải tạo và bảo vệ nguồn nƣớc, bao gồm cả biện pháp công trình và phi công trình, đƣợc cấu trúc tuỳ thuộc vào mục đích khai thác bảo vệ nguồn nƣớc.
(3) Các yêu cầu về nƣớc: các hộ dùng nƣớc, các yêu cầu về mức đảm bảo phòng chống lũ lụt, úng hạn, các yêu cầu bảo vệ hoặc cải tạo môi trƣờng cùng các yêu cầu dùng nƣớc khác. Tác động của môi trƣờng là những tác động về hoạt động
dân sinh kinh tế, hoạt động của con ngƣời bao gồm ảnh hƣởng của các biện pháp canh tác làm thay đổi mặt đệm và lòng dẫn, sự tác động không có ý thức vào hệ thống các công trình thuỷ lợi.
2.1.2. Khái niệm cân bằng nước hệ thống
Cân bằng nƣớc là một vấn đề rất xƣa nhƣng lại luôn mới, nó vừa là phƣơng pháp, vừa là đối tƣợng nghiên cứu. Cân bằng nƣớc là mối quan hệ định lƣợng giữa nƣớc đến và đi của hệ thống nguồn nƣớc (lƣu vực, đoạn sông,...). Lƣợng nƣớc đi gồm bốc thoát hơi nƣớc, ngấm xuống tầng sâu, nƣớc cấp cho các nhu cầu sử dụng nƣớc trên lƣu vực và dòng chảy ra khỏi lƣu vực. Lƣợng nƣớc đến hệ thống đƣợc thể hiện dƣới các dạng nƣớc mƣa, dòng chảy và nƣớc hồi quy sau khi sử dụng.
Cân bằng nƣớc hệ thống là sự cân bằng tổng thể giữa tài nguyên nƣớc của hệ thống; định lƣợng nƣớc đến, đi khỏi hệ thống, trong đó đã bao gồm các yêu cầu về nƣớc giữa các thành phần trong hệ thống, các tác động của môi trƣờng lên nó và đề ra các biện pháp khai thác, bảo vệ nguồn nƣớc một cách hợp lý [9] .
2.2. GIỚI THIỆU MỘT SỐ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƢỚC
Do yêu cầu phát triển tài nguyên nƣớc lƣu vực sông để đáp ứng đƣợc các yêu cầu về phát triển kinh tế - xã hội. Hiện nay trên thế giới đã tiến hành xây dựng các mô hình, hệ thống các mô hình để đánh giá tác động của con ngƣời, các điều kiện mặt đệm tới tài nguyên nƣớc. Có thể điểm qua một số mô hình đang đƣợc sử dụng rộng rãi trên thế giới nhƣ sau: [10]
2.2.1. Hệ thống mô hình GIBSI
Hệ thống mô hình GIBSI là một hệ thống mô hình tổng hợp chạy trên máy PC cho các kết quả kiểm tra tác động của nông nghiệp, công nghiệp, quản lý nƣớc cả về lƣợng và chất đến tài nguyên nƣớc. GIBSI có một ngân hàng dữ liệu (bao gồm cả các số liệu và các đặc trƣng) về thuỷ văn, xói mòn đất, lan truyền hoá chất trong nông nghiệp và mô hình chất lƣợng nƣớc 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.
Hệ thống mô hình GIBSI đƣợc áp dụng cho các lƣu vực ở Canada có hệ sinh thái và tình hình phát triển công nghiệp, nông nghiệp, đô thị phức tạp nhƣ lƣu vực Chaudiere ở Quebec có diện tích 6880 km2, trong đó rừng chiếm 63.2%, đất nông nghiệp 17.2%, bụi rậm 15.3%, đô thị 3.1%, mặt nƣớc 1.2% diện tích lƣu vực và dân số 180.000 ngƣời. Kết quả mô phỏng theo các kịch bản phát triển cho thấy các hoạt động chặt phá rừng làm cho lũ mùa xuân đến sớm hơn và nhiều nƣớc hơn so với các lƣu vực đối chứng. Kịch bản mô phỏng xử lý nƣớc thải làm cho số lƣợng Coliform giảm dần và bền vững, lƣợng phốt-pho cũng giảm. Mô hình GIBSI cho khả năng dự báo các tác động của công nghiêp, rừng, đô thị, các dự án nông nghiệp đối với môi trƣờng tự nhiên, có tác dụng cảnh báo các hộ dùng nƣớc biết trƣớc và tôn trọng các tiêu chuẩn về số lƣợng, chất lƣợng nguồn nƣớc dùng. GIBSI có những mô hình bộ phận chủ yếu sau đây:
- Mô hình thuỷ văn HYDROTEL;
- Mô hình phân giải vật lý có hệ thống viễn thám, hệ thống thông tin địa lý - Mô hình USLE dùng cho vận chuyển phù sa và xói mòn đất;
- Mô hình lan truyền chất hoá học trong nông nghiệp dựa trên mô hình lan truyền ni-tơ, phốt-pho, thuốc trừ sâu: sử dụng một mô đun trong SWAT;
- Mô hình chất lƣợng nƣớc QUAL2E, mô hình chất lƣợng nƣớc để mô phỏng các yếu tố: + Độ khuyếch tán và hội tụ các chất hoà tan trong nƣớc (chất gây ô nhiễm); + Sự phát triển loài tảo; + Chu trình của ni-tơ, phốt-pho; + Sự phân rã Coliform; + Làm thông khí; + Nhiệt độ của nƣớc;
2.2.2. Chương trình Sử dụng nước (Water Utilization Project)
Mô hình lƣu vực và xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu là một hợp phần của Chƣơng trình sử dụng nƣớc của Uỷ hội sông Mê Kông. 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 lƣu vực và các công cụ đánh giá tác động. Khi hoàn thiện WUP
DSF sẽ đƣợc sử dụng để hỗ trợ trong việc xây dựng các nguyên tắc phân bổ nguồn nƣớc giữa các nƣớc trong lƣu vực sông Mê Kông và hỗ trợ ra quyết định cho công tác quản lý lƣu vực sông thông qua các đánh giá về ảnh hƣởng của các kịch bản phát triển đến tài nguyên môi trƣờng.
Ba mô hình con trong bộ mô hình lƣu vực bao gồm:
- Mô hình thuỷ văn (mƣa - dòng chảy) (SWAT) cung cấp chuỗi dòng chảy đầu ra tại các nút trong hệ thống. Các số liệu này sẽ đƣợc sử dụng để đánh giá ảnh hƣởng đến chế độ dòng chảy của lƣu vực và các công tác quản lý môi trƣờng, các kịch bản phát triển nguồn nƣớc và các tiêu chuẩn vận hành.
- Mô hình mô phỏng nguồn nƣớc lƣu vực (IQQM), mô phỏng các công trình thuỷ điện, tƣới, chuyển nƣớc và thu nƣớc. Sử dụng các chuỗi số liệu mô phỏng và thực đo trong một hệ thống tổng thể với các kịch bản khác nhau để đƣa ra một biện pháp tối ƣu và dễ vận hành.
- Mô hình thuỷ động lực học (ISIS) mô phỏng chế độ thuỷ văn, thuỷ lực vùng hồ Tonle Sap và hạ lƣu Kratie, sông Mê Kông.
2.2.3. Mô hình BASINS
Mô hình BASINS đƣợc xây dựng bởi Văn phòng Bảo vệ Môi trƣờng (Hoa Kỳ). Mô hình đƣợc xây dựng để đƣa 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 lƣợng nƣớc trên lƣu vực. Đây là một mô hình hệ thống phân tích môi trƣờng đa mục tiêu, có khả năng ứng dụng cho một quốc gia, một vùng để thực hiện các nghiên cứu về nƣớc bao gồm cả lƣợng và chất trên lƣu vực. Mô hình đƣợc xây dựng để đáp ứng 3 mục tiêu:
Thuận tiện trong công tác kiểm soát thông tin môi trƣờng; Hỗ trợ công tác phân tích hệ thống môi trƣờng;
Mô hình BASINS là một công cụ hữu ích trong công tác nghiên cứu về chất và lƣợng nƣớc. Với nhiều mô đun thành phần trong hệ thống, thời gian tính toán đƣợc rút ngắn hơn, nhiều vấn đề đƣợc giải quyết hơn và các thông tin đƣợc quản lý hiệu quả hơn trong mô hình. Với việc sử dụng GIS, mô hình BASINS thuận tiện hơn trong việc biểu thị và tổ hợp các thông tin (sử dụng đất, lƣu lƣợng các nguồn thải, lƣợng nƣớc hồi quy, ... ) tại bất kỳ một vị trí nào. Các thành phần của mô hình cho phép ngƣời sử dụng có thể xác định ảnh hƣởng của lƣợng 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 lƣu vực theo hƣớng:
- Xác định và thứ tự ƣu tiên các giới hạn về môi trƣờng nƣớc;
- Đặc trƣng các nguồn thải và xác định độ lớn cũng nhƣ tiềm năng phát thải. - Tổ hợp các lƣợng thải từ các điểm nguồn tập trung và không tập trung và quá trình vận chuyển trên lƣu vực cũng nhƣ trên sông.
- Xác định, so sánh giá trị tƣơng đối của các chiến lƣợc kiểm soát ô nhiễm. - Trình diễn và công bố trƣớc công chúng dƣới dạng các bảng biểu, hình vẽ và bản đồ.
Mô hình BASIN bao gồm các mô hình thành phần sau:
- Mô hình trong sông: QUAL2E, phiên bản 3.2 mô hình chất lƣợng nƣớc. - Các mô hình lƣu vực: WinHSPF là một mô hình lƣu 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 đƣợc xây dựng để dự đoán ảnh hƣởng của các hoạt động sử dụng đất trên lƣu vực đến chế độ dòng chảy, xác định lƣợng bùn cát và các các chất hoá học dùng trong nông nghiệp trên toàn lƣu 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.
Các chức năng của mô hình BASIN cho phép ngƣời sử dụng có thể trình diễn, xuất dữ liệu và thực hiện các phân tích theo các mục tiêu khác nhau.
Mô hình BASIN đƣợc sử dụng rộng rãi ở Mỹ, nó thuận tiện trong việc lƣu trữ và phân tích các thông tin môi trƣờng, và có thể sử dụng nhƣ là một công cụ hỗ trợ ra quyết định trong quá trình xây dựng khung quản lý lƣu vực.
2.2.4. Mô hình hệ thống đánh giá và phát triển nguồn nước WEAP
WEAP (Water Evaluation and Planning System) là một mô hình kết hợp giữa việc mô phỏng hệ thống và các chính sách cần áp dụng cho lƣu vực. WEAP dựa trên nguyên tắc tính toán cân bằng giữa các nhu cầu của các dạng sử dụng nƣớc, giá thành và hiệu quả của các công trình cấp nƣớc và cơ sở phân bổ nguồn nƣớc, với nguồn nƣớc cung cấp bao gồm nƣớc mặt, nƣớc ngầm, nƣớc hồ chứa và các vận chuyển nguồn nƣớc. WEAP còn phân tích các thử nghiệm về các phƣơng án phát triển và quản lý nguồn nƣớc.
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 nƣớc trong lƣu vực. Là một công cụ dự báo, WEAP đƣa ra các dự đoán về các nhu cầu về nƣớc, khả năng cung cấp nƣớc, dòng chảy và lƣợng trữ, tổng lƣợng ô nhiễm và cách xử lý. Là một công cụ phân tích chính sách, WEAP đánh giá các phƣơng án phát triển và quản lý nguồn nƣớc, và xem xét theo quan điểm cạnh tranh đa phƣơng giữa các hộ dùng nƣớc trong hệ thống. Vận hành dựa trên tính toán cân bằng nƣớc, WEAP có khả năng áp dụng cho các hệ thống nông nghiệp và đô thị, các lƣu vực đơn hay hệ thống lƣu vực sông. Hơn nữa, WEAP có thể đƣợc sử dụng để đáp ứng nhiều mục tiêu khác nhau: phân tích nhu cầu của các ngành, bảo tồn nguồn nƣớc, xác định thứ tự ƣu tiên phân bổ nguồn nƣớc, mô phỏng dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm, vận hành hồ chứa, vận hành phát điện, kiểm soát ô nhiễm, đảm bảo môi trƣờng sinh thái và phân tích kinh tế.
lý tổng hợp tài nguyên nƣớc, bao gồm: (1) Trung Quốc: xây dựng các kịch bản hỗ trợ công tác phân bổ nguồn nƣớc giữa các hộ sử dụng; (2) Châu Phi: các dự án liên quan đến phát triển nguồn nƣớc; (3) Trung Đông: xây dựng các phƣơng án phát triển nguồn nƣớc và các kịch bản phân bổ nguồn nƣớc ở Isrel và Palestin; (4) Ấn Độ và Nêpal: các phƣơng án khai thác và bảo vệ nuồn nƣớc trong các điều kiện khác nhau; (5) California, Mỹ: Đánh giá ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu đến hệ sinh thái;
2.2.5. Bộ mô hình MIKE (DHI)
Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) xây dựng các phần mềm để đánh giá và phân tích các vấn đề về chất lƣợng và số lƣợng nƣớc, đây là các phần mềm hữu ích trong công tác lập kế hoạch phát triển và quản lý nguồn nƣớc theo quan điểm bền vững. Phần mềm MIKE BASIN với giao diện ArcView GIS là một mô hình mô phỏng nguồn nƣớc lƣu vực sông.
MIKE BASIN đòi hỏi với một số lƣợng số liệu không nhiều, với các mô đun tính toán đơn giản để đƣa ra các kịch bản tính toán các biến đổi của các đặc trƣng dòng chảy theo không gian và thời gian, xác định các nhu cầu dùng nƣớc, vận hành hồ chứa đa mục tiêu, công trình chuyển nƣớc và đánh giá chất lƣợng nƣớc. MIKE BASIN sử dụng giao diện GIS để tổ hợp cơ sở dữ liệu, xác định lƣu vực, và trình diễn kết quả một cách thuận lợi cho ngƣời sử dụng.
Trong luận văn này, mô hình MIKE BASIN với các tính năng vƣợt trội về xử lý số liệu gắn với GIS, đa dạng về số liệu đầu vào, giao diện dễ sử dụng, đã đƣợc lựa chọn làm công cụ để tính cân bằng nƣớc hệ thống cho lƣu vực sông Cầu.
2.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH MIKE BASIN
2.3.1. Giới thiệu chung
Bộ mô hình MIKE là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do DHI (Viện Thuỷ lực Đan Mạch) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây, đƣợc ứng dụng để mô phỏng lƣu lƣợng, chất lƣợng nƣớc và vận chuyển bùn cát ở cửa
sông, cân bằng nƣớc lƣu vực, hệ thống tƣới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nƣớc khác. Bộ mô hình MIKE đƣợc sử dụng nhiều và đem lại hiệu quả cao bởi vì nó đáp ứng đƣợc những tiêu chí sau:
- Là bộ phần mềm tích hợp đa tính năng;
- Là bộ phần mềm đã đƣợc kiểm nghiệm thực tế;
- Cho phép tính toán cân băng nƣớc lƣu vực với độ chính xác cao; - Giao diện thân thiện, dễ sử dụng;
- Có ứng dụng kỹ thuật GIS, một kỹ thuật mới, với tính hiệu quả cao;
Trong bộ phần mềm MIKE bao gồm rất nhiều các phần mềm con có các chức năng và nhiệm vụ khác nhau nhƣ MIKE 11, MIKE 21, MIKE 31,MIKE GIS, MIKE BASIN, MIKE SHE, MIKE MOUSE.v.v... Trong số đó, mô hình Mike Basin là một phần mềm độc lập trong bộ phần mềm MIKE, có thể ứng dụng để tính toán phân phối nƣớc trên lƣu vực cả về lƣợng và chất và đã đƣợc ứng dụng để tính toán cân bằng nƣớc đem lại hiệu quả cao cho nhiều lƣu vực trên thế giới nhƣ: lƣu vực sông LeBa ở BaLan, lƣu vực sông Cape Fear ở phía bắc Carolina,…
2.3.2. Giới thiệu về MIKE BASIN
MIKE BASIN là một mô hình tính toán phân phối nƣớc theo không gian và thời gian. Về kỹ thuật, nó là mô hình mạng lƣới mà các sông và các nhánh chính đƣợc đặc trƣng bởi mạng lƣới của các nhánh và các nút. Các nhánh đặc trƣng cho các phần dòng chảy riêng trong khi các nút thể hiện chỗ hợp dòng, tách dòng, hoặc