Nghiên cứu áp dụng mô hình weap tính cân bằng nước lưu vực sông vệ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Ngọc Hà

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MÔ HÌNH WEAP

TÍNH CÂN BẰNG NƢỚC LƢU VỰC SÔNG VỆ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Ngọc Hà

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MÔ HÌNH WEAP

TÍNH CÂN BẰNG NƢỚC LƢU VỰC SÔNG VỆ

Chuyên ngành: Thủy văn học

Mã số: 60.44.90

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Tiền Giang

Hà Nội- 2012

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này 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.

Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS. Nguyễn Tiền

Giang, người thầy đã luôn cổ vũ, động viên, tận tình hướng dẫn và góp ý chỉ bảo

trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này.

Học viên cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các Thầy, Cô

giáo trong Khoa khí tượng Thủy văn và Hải dương học; Bộ môn Thủy văn,

những người đã tận tình giúp đỡ, truyền đạt kiến thức chuyên môn và kỹ thuật

trong suốt quá trình học tập.

Cảm ơn gia đình, cơ quan, bạn bè và đồng nghiệp đã cổ vũ, khích lệ và

tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi

những thiếu sót, vì vậy rất mong nhận được sự góp ý của các Thầy, Cô và các

bạn để luận văn được hoàn thiện hơn.

Học viên

Nguyễn Ngọc Hà

i

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU.........................................................................................................................................1

Chƣơng 1. TỔNG QUAN..............................................................................................................3

1.1. Cân bằng nước hệ thống .................................................................................. 3

1.2. Các nghiên cứu trước đây liên quan đến cân bằng nước................................. 4

1.2.1. Ngoài nước ................................................................................................. 4

1.2.2. Trong nước ................................................................................................. 7

1.3. Phân bổ, chia sẻ nguồn nước ......................................................................... 10

1.3.1. Ngoài nước ............................................................................................... 10

1.3.2. Trong nước ............................................................................................... 13

1.3.3. Cơ sở, nguyên tắc phân bổ chia sẻ nguồn nước ...................................... 14

1.4. Gới thiệu về lưu vực sông Vệ ........................................................................ 18

1.5. Nhận xét......................................................................................................... 23

Chƣơng 2. PHƢƠNG PHÁP TIẾP CẬN BÀI TOÁN CÂN BẰNG NƢỚC LƢU VỰC

SÔNG VỆ .....................................................................................................................................26

2.1. Giới thiệu mô hình WEAP............................................................................. 27

............................................................... 27

.......................................................................... 29

.................................................................. 30

hình WEAP........................................................................... 31

2.2. Phân vùng tính cân bằng nước....................................................................... 33

2.2.1. Quan điểm, nguyên tắc phân vùng tính toán cân bằng nước .................. 33

2.2.2. Phân vùng tính cân bằng nước................................................................. 34

2.3. Tính toán nhu cầu dùng nước tại các tiểu vùng............................................. 36

2.3.1. Xác định, nhận diện các hộ ngành sử dụng nước chính .......................... 36

2.3.2. Căn cứ tính toán nhu cầu sử dụng nước .................................................. 37

2.4. Tính toán dòng chảy đến tại các tiểu vùng .................................................... 45

Chƣơng 3: CÂN BẰNG NƢỚC LƢU VỰC SÔNG VỆ...........................................................47

3.1. Cân bằng nước hiện trạng 2010 và đến các năm 2015, 2020........................ 47

3.2. Tính toán cân bằng nước theo các kịch bản phát triển nguồn nước .............. 52

3.3. Tính toán cân bằng nước theo các tỷ lệ phân bổ ........................................... 63

3.4. Nhận xét......................................................................................................... 66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.....................................................................................................69

ii

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 1. Phân phối dòng chảy trung bình tháng nhiều năm (m3

/s)...........................................21

Bảng 2. Đặc trưng lũ lớn tại trạm An Chỉ từ 1976 – 2009. ......................................................22

Bảng 3. Dòng chảy nhỏ nhất của trạm An Chỉ từ 1977 – 2009................................................22

Bảng 4. ..................................................................22

Bảng 5. Lưu lượng nước dưới đất có thể khai thác trên lưu vực sông Vệ................................23

Bảng 6. Tổng hợp phân vùng tính toán cân bằng nước trên lưu vực sông Vệ và các thông tin

liên quan .....................................................................................................................................34

Bảng 7. Xác định các hộ, ngành sử dụng nước chính trên lưu vực sông Vệ............................37

Bảng 8. Kết quả tính toán nhu cầu nước hiện trạng năm 2010, các năm 2015, 2020 trên toàn

lưu vực sông Vệ.............................................................................................................................41

Bảng 9. Tổng hợp kết quả tính toán nhu cầu nước hiện trạng 2010 của các ngành trên từng

tiểu lưu vực thuộc lưu vực sông Vệ (nghìn m3

) ............................................................................42

Bảng 10. Tổng hợp kết quả tính toán nhu cầu nước đến 2015 các ngành trên từng tiểu lưu vực

thuộc lưu vực sông Vệ (nghìn m3

).................................................................................................43

Bảng 11. Tổng hợp kết quả tính toán nhu cầu nước đến 2020 các ngành trên từng tiểu lưu vực

thuộc lưu vực sông Vệ (nghìn m3

).................................................................................................44

Bảng 12. Kết quả đánh giá chỉ tiêu NASH ứng dụng mô hình TANK ......................................45

Bảng 13. Kết quả tính toán lưu lượng dòng chảy đến các tiểu lưu vực (vùng cân bằng nước) từ

mô hình TANK..............................................................................................................................46

Bảng 14. Kết quả tính toán cân bằng nước hiện trạng 2010 (triệu m3

) ......................................50

Bảng 15. Kết quả tính toán cân bằng nước giai đoạn 2015 (triệu m3

)........................................51

Bảng 16. Kết quả tính toán cân bằng nước giai đoạn 2020 (triệu m3

)........................................51

Bảng 17. Tổng hợp xây dựng các kịch bản tính toán .................................................................53

Bảng 18. Tổng hợp các kịch bản tính cân bằng nước giai đoạn 2011-2015 (theo các năm)......55

Bảng 19. Tổng hợp các kịch bản tính cân bằng nước giai đoạn 2011-2015 (theo các ngành)...55

Bảng 20. Kết quả lượng nước thiếu (triệu m3

) của các ngành năm 2015 – kịch bản 1 ..............58

Bảng 21. Kết quả lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2015 – kịch bản 2..............58

Bảng 22. Kết quả lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2015 – kịch bản 3..............59

Bảng 23. .....................................................................................................................................59

Bảng 24. Kết quả lượng nước thiếu (triệu m3

) của các ngành năm 2015 – kịch bản 4 ..............60

Bảng 25. Kết quả lượng nước thiếu (triệu m3

) của các ngành năm 2020 – kịch bản 1 ..............60

Bảng 26. Kết quả lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2020 – kịch bản 2..............61

Bảng 27. Kết quả lượng nước thiếu (triệu m3

) của các ngành năm 2020 – kịch bản 3 ..............62

Bảng 28. Kết quả lượng nước thiếu (triệu m3

) của các ngành năm 2020 – kịch bản 4 ..............62

Bảng 29. Kết quả tính cân bằng giai đoạn 2011-2020 theo các tỷ lệ phân bổ............................65

Bảng 30. So sánh tổng lượng nước thiếu (triệu m3

) giữa hai kịch bản 4 và 5............................65

iii

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1. Sơ đồ các nước, vùng lãnh thổ đã và đang ứng dụng mô hình WEAP .........................7

Hình 2. Phạm vi và đối tượng các nghiên cứu điển hình và đào tạo từ dự án tăng cường năng

lực các Viện ngành nước (2001-2005) ............................................................................................8

Hình 3. Các nhân tố của một hệ thống chia sẻ tổng hợp TNN.................................................17

Hình 4. Các hợp phần của một hệ thống cấp nước mặt ...........................................................18

Hình 5. Vị trí lưu vực sông Vệ trong tỉnh Quảng Ngãi............................................................19

Hình 6. Bản đồ lưu vực sông Vệ ..............................................................................................19

Hình 7. Sơ đồ hình thái sông suối thuộc lưu vực sông Vệ.......................................................19

Hình 8. Bản đồ DEM (90x90 m) lưu vực sông Vệ ..................................................................19

Hình 9. Sơ đồ tính toán cân bằng nước áp dụng cho lưu vực sông Vệ ....................................26

Hình 10. Số hóa lưới sông và phân vùng tính cân bằng nước trong mô hình WEAP................35

Hình 11. Bài toán hiệu chỉnh và lựa chọn bộ thông số mô hình TANK....................................45

Hình 12. Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng lưu lượng tính toán và thực đo trạm An

Chỉ - bài toán hiệu chỉnh ...............................................................................................................46

Hình 13. Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng lưu lượng tính toán và thực đo trạm An

Chỉ - bài toán kiểm định ................................................................................................................46

Hình 14. Sơ đồ mô hình hóa tính toán cân bằng nước hiện trạng: (a) số hóa mạng lưới sông

suối trong mô hình; (b) các hộ sử dụng nước được thiết lập; (c) xây dựng sơ đồ khai thác sử dụng

của các hộ ngành và các vấn đề liên quan .....................................................................................48

Hình 15. Thống kê các thành phần được xây dựng và đưa vào mô hình đối với bài toán cân

bằng nước hiện trạng năm 2010 lưu vực sông Vệ (a) Schematic view; (b) Data view.................49

Hình 16. Biểu đồ kết quả tính toán lượng nước thiếu giai đoạn hiện trạng năm 2010 ..............50

Hình 17. Biểu đồ kết quả tính toán lượng nước thiếu giai đoạn năm 2015 ...............................51

Hình 18. Biểu đồ kết quả tính toán lượng nước thiếu giai đoạn năm 2020 ...............................52

Hình 19. Xây dựng các kịch bản tính toán cân bằng nước giai đoạn 2011 – 2020 trong mô hình

WEAP .....................................................................................................................................54

Hình 20. Biểu đồ yêu cầu duy trì dòng chảy môi trường hạ du sông Vệ ...................................54

Hình 21. Xây dựng kịch bản và tính toán cân bằng nước theo các kịch bản .............................54

Hình 22. Biểu đồ kết qủa lượng nước thiếu giai đoạn 2011 – 2020 theo 4 kịch bản tính toán..56

Hình 23. Biểu đồ kết qủa lượng nước thiếu giai đoạn 2011 – 2020 của các ngành theo 4 kịch

bản tính toán ..................................................................................................................................57

Hình 24. Biểu đồ lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2015 – kịch bản 1..............58

Hình 25. Biểu đồ lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2015 – kịch bản 2..............59

Hình 26. Biểu đồ lượng nước thiếu (triệu m3

) của các ngành năm 2015 – kịch bản 3 ..............59

Hình 27. Biểu đồ lượng nước thiếu (triệu m3

) của các ngành năm 2015 – kịch bản 4 ..............60

Hình 28. Biểu đồ lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2020 – kịch bản 1..............61

Hình 29. Biểu đồ lượng nước thiếu (triệu m3) của các ngành năm 2020 – kịch bản 2..............61

Hình 30. Biểu đồ lượng nước thiếu (triệu m3

) của các ngành năm 2020 – kịch bản 3 ..............62

Hình 31. Biểu đồ lượng nước thiếu (triệu m3

) của các ngành năm 2020 – kịch bản 4 ..............63

Hình 32. Biểu đồ so sánh cắt giảm tổng lượng nước thiếu (triệu m3

) giữa kịch bản 4 và 5 ......66

iv

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

TNN Tài nguyên nước

TNMT Tài nguyên Môi trường

KTTV Khí tượng thủy văn

KHTN Khoa học tự nhiên

LVS Lưu vực sông

NĐ-CP Nghị định của Chính phủ

TT Thông tư

HSTTS Hệ sinh thái thủy sinh

BĐKH Biến đổi khí hậu

HTX Hợp tác xã

TANK Mô hình bể chứa của Nhật Bản

GIS Geographic Information Systems (Hệ thống thông tin địa lý)

WEAP Water Evaluation And Planning System (Hệ thống quy hoạch và đánh giá

nguồn nước)

IWMI International Water Management Institute (Viện quản lý tài nguyên nước

quốc tế)

GWP Global Water Partnership (mạng lưới cộng tác vì nước toàn cầu)

ADB Asian Development Bank (ngân hàng phát triển Châu Á)

YRCC Yellow River Conservancy Commission (Ủy ban bảo vệ sông Hoàng Hà)

NVE Norwegian water resources and energy directorate (Tổng cục Năng lượng

và tài nguyên nước Nauy)

1

MỞ ĐẦU

Nước là một tài nguyên vô tận, là tặng phẩm không bao giờ cạn của thiên

nhiên! – Đó chỉ còn là sự thực của cách đây hơn 30 năm. Còn ngày nay, khi cuộc

sống đã có vô vàn những thay đổi, đặc biệt là những thay đổi trong kinh tế, đời

sống sản xuất thì tình trạng thiếu hụt nước lại trở thành một trong những mối lo

ngại hàng đầu của con người.

Hệ lụy của tình trạng cạn kiệt nguồn tài nguyên nước là không thể lường

trước, nó gây ra những ảnh hưởng to lớn tới từng cá thể trong cộng đồng sống

trên một lưu vực sông hay một vùng lãnh thổ; cuộc sống sinh hoạt và sản xuất sẽ

trở nên khó khăn hơn, dẫn đến tình trạng đói nghèo và những hệ quả liên quan.

Tính toán cân bằng nước nhằm mục đích xác định một vùng một lưu vực

hay một phân khu tiểu lưu vực nào đó có đủ nước, thừa nước hay thiếu nước hay

không trong các điều kiện phát triển tài nguyên nước khác nhau trong các trường

hợp bình thường hay hạn hán hay trong các trường hợp kịch bản nguồn nước đến

cùng với phương án khai thác sử dụng khác nhau.

Cân bằng nước được định nghĩa là sự thay đổi lưu lượng, tổng lượng dòng

chảy (số lượng nước) còn lại sau khi lấy lưu lượng, tổng lượng dòng chảy đến trừ

đi lưu lượng, tổng lượng dòng chảy đi. Cân bằng nước là nguyên lý chủ yếu được

sử dụng cho tính toán, quy hoạch và quản lý tài nguyên nước. Nó biểu thị mối

quan hệ cân bằng giữa lượng nước đến, nước đi và lượng trữ của một khu vực,

một lưu vực hoặc của một hệ thống sông trong điều kiện tự nhiên hay có sử dụng

của con người.

Trong những năm gần đây, những nghiên cứu áp dụng mô hình tính toán

cân bằng nước trên lưu vực sông như một công cụ hỗ trợ quản lý tổng hợp tài

nguyên nước khi xem xét phát triển nguồn nước, quy hoạch tài nguyên nước,

điều hành quản lý nguồn nước trên một lưu vực sông ở trên thế giới cũng như ở

trong nước ngày càng diễn ra mạnh mẽ. Việc áp dụng công cụ mô hình tính toán

cân bằng nước tham gia vào quá trình quản lý tổng hợp lưu vực nhằm giúp cho

2

nhà quản lý, các hộ ngành sử dụng nước trên lưu vực có cái nhìn tổng hợp và

toàn diện hơn về nguồn tài nguyên nước trên lưu vực, đồng thời, các bên liên

quan tìm kiếm sự đồng thuận, chia sẻ cơ hội và định hướng khai thác nguồn nước

trên lưu vực đáp ứng cho các mục tiêu trước mắt và lâu dài.

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ về máy vi tính và các công cụ tính

toán nên phương pháp mô hình toán ngày càng được sử dụng phổ biến trong bài

toán cân bằng nước lưu vực. Các mô hình có thể kể đến để giải quyết bài toán đó

là: MITSIM, WUS, RIBASIM, MIKE BASIN,WEAP...

Luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu ứng dụng mô hình WEAP tính toán

cân bằng nước cho lưu vực sông Vệ - tỉnh Quảng Ngãi (giai đoạn hiện tại và đến

năm 2015 và 2020). Đồng thời, qua kết quả tính toán cân bằng nước bằng mô

hình WEAP nguyên tắc và tỷ lệ phân bổ nguồn nước trên lưu vực sông Vệ, đặc

biệt là trong tình huống thiếu nước được đề xuất.

Mục tiêu của luận văn là xây dựng được mô hình WEAP tính cân bằng

nước lưu vực sông Vệ giai đoạn hiện trạng 2010 và giai đoạn 2011 – 2020 có xét

đến sử dụng thành phần nước ngầm. Đồng thời, đề xuất phương pháp luận phân

bổ chia sẻ nguồn nước áp dụng đối với lưu vực sông Vệ

Cấu trúc của luận văn ngoài phần mở đầu và phần kết luận được chia làm

3 chương:

Chƣơng 1. Tổng quan

Chƣơng 2. Phương pháp tiếp cận bài toán cân bằng nước lưu vực sông Vệ

Chƣơng 3: Cân bằng nước lưu vực sông Vệ