luận văn TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC HỆ THỐNG LƯU VỰC SÔNG CẦU BẰNG MÔ HÌNH MIKE BASIN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

------------------------

Nguyễn Phương Nhung

TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC HỆ THỐNG

LƯU VỰC SÔNG CẦU BẰNG MÔ HÌNH MIKE BASIN

Chuyên ngành: Thủy văn học

Mã số: 60 44 90

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. NGUYỄN THANH SƠN

Hà Nội – 2011

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH...................................................................................................4

DANH MỤC BẢNG………………………………………………………………..5

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT……………………………………………………7

MỞ ĐẦU....................................................................................................................8

Chương 1. ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ XÃ HỘI LƯU

VỰC SÔNG CẦU....................................................................................................10

1.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên............................................................................10

1.1.1. Vị trí địa lý...........................................................................................10

1.1.2. Địa hình...............................................................................................10

1.1.3. Địa chất................................................................................................12

1.1.4. Thổ nhưỡng..........................................................................................13

1.1.5. Thảm phủ thực vật................................................................................13

1.1.6. Đặc điểm khí hậu.................................................................................14

1.1.7. Đặc điểm thủy văn................................................................................17

1.2. Đặc điểm kinh tế - xã hội...........................................................................22

1.2.1. Dân số..................................................................................................22

1.2.2. Hiện trạng kinh tế - xã hội...................................................................23

Chương 2. TỔNG QUAN CÂN BẰNG NƯỚC HỆ THỐNG.............................30

2.1. Khái niệm về hệ thống nguồn nước và cân bằng nước hệ thống............30

2.1.1. Hệ thống nguồn nước...........................................................................30

2.1.1. Khái niệm cân bằng nước hệ thống.....................................................31

2.2. Giới thiệu một số mô hình tính toán cân bằng nước...............................31

1

2.2.1. Hệ thống mô hình GIBSI......................................................................31

2.2.2. Chương trình Sử dụng nước (Water Ultilization Project)...................32

2.2.3. Mô hình BASINS..................................................................................33

2.2.4. Mô hình hệ thống đánh giá và phát triển nguồn nước WEAP............35

2.2.5. Bộ mô hình MIKE (DHI).....................................................................36

2.3. Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE BASIN.............................................36

2.3.1. Giới thiệu chung..................................................................................36

2.3.2. Giới thiệu về MIKE BASIN..................................................................37

2.3.3. Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE BASIN..........................................38

2.3.4. Mô đun mưa-dòng chảy NAM..............................................................42

Chương 3. ÁP DỤNG MÔ HÌNH MIKE BASIN CÂN BẰNG NƯỚC HỆ

THỐNG LƯU VỰC SÔNG CẦU..........................................................................50

3.1. Phân vùng tính cân bằng nước..................................................................50

3.2. Tính toán dòng chảy đến tại các tiểu khu.................................................50

3.2.1. Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình....................................................53

3.2.2. Ứng dụng mô hình khôi phục số liệu...................................................53

3.3. Tính toán nhu cầu dùng nước tại các tiểu khu........................................56

3.3.1. Nhu cầu dùng nước cho nông nghiệp..................................................56

3.3.2. Nhu cầu dùng nước cho sinh hoạt.......................................................57

3.3.3. Nhu cầu dùng nước cho chăn nuôi......................................................58

3.3.4. Nhu cầu dùng nước cho công nghiệp..................................................69

3.3.5. Nhu cầu dùng nước cho giao thông thủy và bảo vệ môi trường..........60

3.3.6. Nhu cầu dùng nước cho thương mại, dịch vụ và du lịch.....................61

2

3.3.7. Nhu cầu dùng nước cho các hoạt động đô thị.....................................62

3.3.8. Nhu cầu dùng nước cho thủy sản.........................................................62

3.4. Cân bằng nước hệ thống lưu vực sông Cầu.............................................65

3.4.1. Sơ đồ tính toán cân bằng nước............................................................66

3.4.2. Tính toán hiện trạng cân bằng nước hệ thống lưu vực sông Cầu......66

3.4.3. Kết quả tính cân bằng nước hiện trạng 2007......................................70

3.4.4. Tính toán cân bằng nước hệ thống lưu vực sông Cầu theo quy hoạch

năm 2015..................................................................................................................77

3.4.5. Kết quả tính cân bằng nước cho phương án quy hoạch năm 2015.....80

3.4.6. Những vấn đề tồn tại, định hướng và giải pháp..................................83

KẾT LUẬN .............................................................................................................86

TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................98

PHỤ LỤC............................................................................................................... .90

3

DANH MỤC HÌNH

Hình 1. Sơ đồ lưu vực sông Cầu.............................................................................11

Hình 2. Bản đồ lưới trạm khí tượng thủy văn lưu vực sông Cầu........................24

Hình 3. Sơ đồ minh hoạ cấu trúc mô hình MIKE BASIN...................................40

Hình 4: Cấu trúc của mô hình NAM.....................................................................45

Hình 5. Bản đồ phân vùng và phân khu cân bằng nước lưu vực sông Cầu.......52

Hình 6. Kết quả hiệu chỉnh tại trạm Tân Cương.................................................55

Hình 7. Kết quả kiểm nghiệm tại trạm Tân Cương.............................................55

Hình 8. Biểu đồ phân bố cơ cấu dùng nước các hộ dùng nước trên lưu vực.....65

Hình 9. Sơ đồ hóa lưu vực sông Cầu......................................................................67

Hình 10a, b. Kết quả kiểm định mô hình MIKE BASIN tại trạm Thác Bưởi..73

Hình 11a,b. Sơ đồ tính toán cân bằng nước lưu vực sông Cầu phương án hiện

trạng:a) có công trình; b) không có công trình.....................................................78

Hình 12a,b. Bản đồ phân vùng thiếu nước lưu vực sông Cầu phương án cân

bằng nước hiện trạng: a) không có công trình; b) có công trình........................78

Hình 13. Sơ đồ tính toán cân bằng nước hệ thống sông Cầu bằng MIKE BASIN

phương án quy hoạch 2015.....................................................................................82

Hình 14. Bản đồ phân vùng thiếu nước lưu vực sông Cầu 2015........................82

4

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1. Nhiệt độ không khí trung bình tháng, tối cao và tối thấp trong thời kỳ

quan trắc tại các trạm trên lưu vực………………………………………...........15

Bảng 2. Độ ẩm tương đối của không khí trung bình nhiều năm ở một số vùng15

Bảng 3. Lượng mưa tháng trung bình nhiều năm (1960-1997)………………...16

Bảng 4. Tổng lượng bốc hơi trung bình tháng và năm…………………………17

Bảng 5. Đặc trưng dòng chảy năm tại các trạm quan trắc trong lưu vực……..19

Bảng 6. Lưu lượng lớn nhất trong các tháng mùa lũ lưu vực sông Cầu………20

Bảng 7. Lưu lượng nhỏ nhất trong các tháng mùa kiệt………………………...21

Bảng 8. Tài liệu khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Cầu và các số liệu đã thu

thập………………………………………………………………………………...23

Bảng 9. Diện tích một số cây trồng chính trên lưu vực…………………………25

Bảng 10. Số lượng gia súc và gia cầm trên lưu vực……………………………..25

Bảng 11. Tổng hợp diện tích nuôi trồng thủy sản theo các địa phương……….26

Bảng 12. Hiện trạng lâm nghiệp các tỉnh thuộc lưu vực sông Cầu năm 2006...29

Bảng 13. Đặc điểm của các vùng và khu tính cân bằng nước………………….51

Bảng 14. Các trạm mưa và trọng số mưa tính toán trong quá trình hiệu chỉnh

và kiểm nghiệm các bộ thông số………………………………………………….54

Bảng 15. Các bộ thông số và độ hữu hiệu của mô hình NAM……………….....54

Bảng 16. Kết quả tính toán lưu lượng trung bình tháng, năm............................54

Bảng 17. Nhu cầu nước tưới tại các tiểu khu trên lưu vực sông Cầu………….56

Bảng 18. Định mức dùng nước sinh hoạt………………………………………..57

Bảng 19. Nhu cầu nước sinh hoạt tại các tiểu khu trên lưu vực sông Cầu…….57

Bảng 20. Định mức dùng nước trong chăn nuôi………………………………...58

Bảng 21. Nhu cầu nước cho chăn nuôi trong các tiểu khu thuộc lưu vực sông

Cầu…………………………………………………………………………………58

5

Bảng 22. Nhu cầu nước cho công nghiệp trong các tiểu khu thuộc lưu vực sông

Cầu…………………………………………………………………………………59

Bảng 23. Nhu cầu nước cho giao thông thủy và bảo vệ môi trường trong các

tiểu khu thuộc lưu vực sông Cầu…………………………………………………60

Bảng 24. Nhu cầu nước cho thương mại, dịch vụ và du lịch trong các tiểu khu

thuộc lưu vực sông Cầu…………………………………………………………...61

Bảng 25. Nhu cầu nước cho các hoạt động đô thị trong các tiểu khu thuộc lưu

vực sông Cầu………………………………………………………………………62

Bảng 26. Nhu cầu nước cho thủy sản trong các tiểu khu thuộc lưu vực sông

Cầu…………………………………………………………………………………63

Bảng 27. Tổng hợp nhu cầu sử dụng nước tại tiểu vùng I1…………………….63

Bảng 28. Tổng hợp nước dùng tại các tiểu khu trên lưu vực sông Cầu…….....64

Bảng 29. Nhu cầu nước và cơ cấu nhu cầu nước của các hộ dùng nước chủ yếu

trên lưu vực sông Cầu…………………………………………………………….65

Bảng 30. Hiện trạng các công trình thủy lợi trên lưu vực sông Cầu..................67

Bảng 31. Hiện trạng dùng nước các ngành kinh tế trên lưu vực sông Cầu năm

2007………………………………………………………………………………...70

Bảng 32. Cán cân giữa lượng nước đến và lượng nước dùng tại các tiểu vùng.72

Bảng 33. Kết quả tính toán cân bằng nước tiểu khu I1………………………...73

Bảng 34. Kết quả tính toán cân bằng nước năm 2007 trên lưu vực sông Cầu..74

Bảng 35. Tổng hợp kết quả tính toán……………………………………………75

Bảng 36. Kết quả tính toán cân bằng nước năm 2007 trên lưu vực sông Cầu..76

Bảng 37. Tổng hợp kết quả tính toán……………………………………………76

Bảng 38. Tổng hợp các thông số cơ bản của hồ chứa Văn Lăng………………79

Bảng 39. Kết quả tính toán cân bằng nước năm 2015 trên lưu vực sông Cầu..80

Bảng 40. Tổng hợp kết quả tính toán cân bằng nước năm 2015………………81

6

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

CROPWAT Mô hình tính nhu cầu tưới của cây trồng theo chỉ tiêu sinh thái

GIBSI Bộ mô hình tổng hợp của Canada (Gestion Intégrée des Bassins

versants à l’aide d’un Système Informatisé)

IQQM Mô hình mô phỏng nguồn nước

ISIS Mô hình thủy động lực học (Interactive Spectral Interpretation

System)

MIKE Bộ mô hình thủy lực và thủy văn lưu vực Viện Thủy lực Đan Mạch

NAM Mô hình dòng chảy của Đan Mạch (Nedbor-Afstromnings-

Model)

QUAL2E Mô hình chất lượng nước (Water Quality version 2E)

SSARR Mô hình hệ thống diễn toán dòng chảy của Mỹ (Streamflow

Synthesis and Reservoir Regulation)

SWAT Mô hình mô phỏng dòng chảy mặt qua độ ẩm đất (Soil and

Water Assessment Tool)

TANK Mô hình bể chứa của Nhật bản

WUP Chương trình sử dụng nước

WEAP Mô hình hệ thống đánh giá và phát triển nguồn nước (Water Evaluation

and Planning System)

TM, DV, DL Thương mại, dịch vụ, du lịch

GTT, BVMT Giao thông thủy, bảo vệ môi trường

7

MỞ ĐẦU

Trong công tác quy hoạch và phát triển tài nguyên nước, việc tính toán cân

bằng nước hệ thống hết sức quan trọng. Kết quả tính cân bằng nước hệ thống là cơ

sở để đề ra các phương án quy hoạch, sử dụng và phát triển hợp lý tài nguyên nước

cũng như lựa chọn phương án và trình tự thực hiện phương án quy hoạch qua các

giai đoạn.

Lưu vực sông Cầu là một lưu vực quan trọng ở miền bắc Việt Nam, với diện

tích lưu vực hơn 6030 km2

, trải trên địa phận của 5 tỉnh: Bắc Cạn, Thái Nguyên,

Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Bắc Giang và thành phố Hà Nội, là nguồn cung cấp nước

sinh hoạt cũng như mọi hoạt động kinh tế xã hội của 5 tỉnh và thủ đô cả nước. Rất

nhiều kế hoạch phát triển về kinh tế xã hội quan trọng đang được dự định tiến hành

cho khu vực này. Tuy vậy, việc sử dụng tài nguyên nước trên lưu vực sông Cầu vẫn

còn tồn tại những vấn đề sau:

- Phương thức khai thác, sử dụng và quản lý tài nguyên nước chưa hiệu quả,

thiếu đồng bộ. Việc phân bổ tài nguyên nước chưa hợp lý, chưa đáp ứng được nhu

cầu của các hộ dùng nước.

- Mâu thuẫn giữa nhu cầu dùng nước và lượng nước đến. Nhu cầu dùng nước

ngày một tăng lên trong khi lượng nước đến không tăng mà còn có xu hướng suy

giảm về chất và lượng do sự khai thác không đi cùng với việc bảo vệ và phát triển

bền vững tài nguyên nước.

- Tài nguyên đất đang được khai thác và sử dụng cho nhiều mục đích khác

nhau như phát triển công nghiệp, dịch vụ, thủy sản, chuyển đổi giống cây trồng và

vật nuôi... cũng gây tác động rất lớn đến nguồn nước.

Chính vì vậy, luận văn với đề tài “Tính toán cân bằng nước hệ thống lưu vực

sông Cầu bằng mô hình MIKE BASIN” đã được thực hiện để giải quyết bài toán

cân bằng nước hệ thống cho lưu vực sông Cầu nhằm đáp ứng yêu cầu cấp thiết và

có ý nghĩa thực tiễn của công tác quy hoạch tổng hợp, khai thác sử dụng và phát

triển tài nguyên nước một cách hợp lý và bền vững, đảm bảo cho các kế hoạch phát

triển kinh tế xã hội của lưu vực.

8

Luận văn được bố cục thành 3 chương, cùng với phần mở đầu, kết luận, tài

liệu tham khảo và phụ lục:

Chương 1. Điều kiện địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội lưu vực sông Cầu

Chương 2. Tổng quan cân bằng nước hệ thống

Chương 3. Áp dụng mô hình MIKE BASIN cân bằng nước hệ thống lưu vực

sông Cầu

Luận văn được hoàn thành tại Khoa Khí tượng - Thủy văn và Hải dương học,

trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn

khoa học của PGS.TS. Nguyễn Thanh Sơn. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân

thành nhất tới thầy, người đã luôn động viên và tạo điều kiện, tận tình chỉ dẫn và

góp ý để tác giả hoàn thành luận văn này. Trong quá trình thực hiện luận văn, tác

giả xin bày tỏ sự cảm ơn đến các thầy cô trong Bộ môn Thủy văn, các thầy cô giáo,

đồng nghiệp trong khoa về sự hỗ trợ chuyên môn và kỹ thuật, cũng như sự giúp đỡ

về thời gian, điều kiện nghiên cứu thuận lợi.

9