Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Cả là một trong những lưu vực lớn và quan trọng nhất của Việt Nam, với tổng diện tích khoảng 27.200 km², trong đó phần thuộc lãnh thổ Việt Nam chiếm 65,2% (khoảng 17.730 km²). Đây là khu vực có vai trò thiết yếu đối với phát triển kinh tế - xã hội, quốc phòng và an ninh của các tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh. Tuy nhiên, lưu vực này đang phải đối mặt với nhiều thách thức về tài nguyên nước do biến đổi khí hậu, phân bố dòng chảy không đều trong năm và áp lực gia tăng từ các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội. Mùa lũ tập trung chủ yếu vào các tháng mùa mưa, trong khi mùa kiệt kéo dài khiến nguồn nước trở nên khan hiếm, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sinh hoạt và sản xuất.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng mô hình MIKE BASIN để tính toán cân bằng nước cho lưu vực sông Cả trong điều kiện biến đổi khí hậu, nhằm đánh giá hiệu quả phân bổ nguồn nước, đáp ứng nhu cầu sử dụng và hỗ trợ quản lý tài nguyên nước bền vững. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phần lưu vực sông Cả thuộc lãnh thổ Việt Nam, chủ yếu trên địa bàn hai tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh, với dữ liệu thu thập và phân tích trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2015, đồng thời dự báo đến năm 2035 theo các kịch bản biến đổi khí hậu.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho các nhà quản lý và hoạch định chính sách về tài nguyên nước, giúp xây dựng các quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội phù hợp với điều kiện biến đổi khí hậu, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững lưu vực sông Cả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên cơ sở lý thuyết về cân bằng nước hệ thống, trong đó cân bằng nước được hiểu là mối quan hệ định lượng giữa lượng nước đến và đi của hệ thống nguồn nước, bao gồm các thành phần như nước mưa, dòng chảy mặt, nước ngầm, bốc hơi và nhu cầu sử dụng nước. Cân bằng nước hệ thống giúp đánh giá tổng thể tài nguyên nước, nhu cầu sử dụng và khả năng điều tiết của lưu vực.

Hệ thống nguồn nước được xem là một tổ hợp tích hợp gồm ba thành phần chính: hệ thống tài nguyên nước (bao gồm nước mặt, nước ngầm, khí quyển), hệ thống khai thác và quản lý (công trình thủy lợi, chính sách, quy định) và hệ thống sử dụng nước (nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt, thủy sản). Mối quan hệ tương tác giữa các thành phần này được phân tích để xây dựng các phương án quản lý và sử dụng nước hiệu quả.

Mô hình MIKE BASIN, phát triển bởi Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI), được lựa chọn làm công cụ chính trong nghiên cứu. Đây là mô hình mạng lưới thủy văn thủy lực tích hợp với hệ thống GIS, cho phép mô phỏng phân phối nước theo không gian và thời gian, tính toán cân bằng nước lưu vực, vận hành hồ chứa, công trình thủy lợi và đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước. MIKE BASIN sử dụng phương trình cân bằng nước tổng quát:

$$ (X + Z_1 + Y_1 + W_1) - (Z_2 + Y_2 + W_2) = U_2 - U_1 $$

trong đó các ký hiệu biểu thị lượng nước mưa, nước ngưng tụ, dòng chảy mặt và ngầm vào và ra khỏi lưu vực, cùng sự thay đổi trữ lượng nước trong lưu vực.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm số liệu khí tượng thủy văn (nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm, dòng chảy), số liệu sử dụng nước của các ngành kinh tế - xã hội, dữ liệu địa hình, thổ nhưỡng và thảm phủ thực vật của lưu vực sông Cả. Dữ liệu được thu thập từ các trạm quan trắc trên lưu vực trong giai đoạn 2010-2015, cùng các báo cáo dự báo biến đổi khí hậu đến năm 2035.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp thống kê, mô hình toán và chuyên gia. Phương pháp thống kê được sử dụng để tổng hợp và phân tích số liệu nhu cầu sử dụng nước của các ngành. Phương pháp mô hình toán ứng dụng bộ mô hình MIKE BASIN kết hợp với các mô hình phụ trợ như MIKE NAM (mô hình dòng chảy mưa-dòng chảy) và CROPWAT (tính nhu cầu nước cây trồng) để tính toán lượng nước đến, nhu cầu sử dụng và cân bằng nước lưu vực. Phương pháp chuyên gia được áp dụng để lấy ý kiến đánh giá, hiệu chỉnh mô hình và phân tích kết quả.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ các tiểu lưu vực chính trong phần lưu vực sông Cả thuộc Việt Nam, với hơn 660 hồ chứa vừa và nhỏ, 341 đập dâng và 556 trạm bơm được khảo sát. Phương pháp chọn mẫu dựa trên phân vùng thủy văn và đặc điểm sử dụng nước của từng khu vực. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2010 đến 2018, với các bước chính: thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình, mô phỏng các kịch bản biến đổi khí hậu và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cân bằng nước hiện trạng lưu vực sông Cả năm 2015: Tổng lượng dòng chảy năm đạt khoảng 23,5 tỷ m³, trong đó 87% hình thành trên lãnh thổ Việt Nam. Nhu cầu sử dụng nước tổng hợp của các ngành trên lưu vực là khoảng 1,2 tỷ m³/năm, trong đó nông nghiệp chiếm 70%, công nghiệp 15%, sinh hoạt 10% và thủy sản 5%. Lượng nước thiếu hụt trung bình hàng năm tại các tiểu vùng dao động từ 5% đến 15%, tập trung chủ yếu vào mùa khô.

  2. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến cân bằng nước: Theo kịch bản RCP 4.5, nhiệt độ trung bình năm dự báo tăng khoảng 1,2°C đến 1,5°C trong giai đoạn 2016-2035, lượng mưa mùa hè có xu hướng giảm 5-10%, trong khi lượng mưa mùa đông tăng nhẹ 3-5%. Điều này dẫn đến giảm khoảng 8% tổng lượng dòng chảy năm và tăng nhu cầu nước tưới cây trồng lên 10-15% do bốc hơi tăng.

  3. Thiếu hụt nước theo kịch bản biến đổi khí hậu: Lượng nước thiếu hụt dự báo tăng lên khoảng 20% vào mùa khô, đặc biệt tại các tiểu vùng trung du và đồng bằng, gây áp lực lớn cho các ngành sử dụng nước. Mô hình MIKE BASIN cho thấy các tiểu lưu vực như sông Hiếu và sông La có nguy cơ thiếu nước nghiêm trọng nhất.

  4. Hiệu quả mô hình MIKE BASIN: Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định với dữ liệu thực đo tại các trạm thủy văn như trạm Dừa, Quỳ Châu, Sơn Diệm cho kết quả sai số trung bình dưới 10%, đảm bảo độ tin cậy trong dự báo và phân tích cân bằng nước.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy biến đổi khí hậu đang làm thay đổi đáng kể chu trình thủy văn lưu vực sông Cả, làm giảm nguồn nước mặt và tăng nhu cầu sử dụng nước, đặc biệt trong nông nghiệp. Sự phân bố không đều của dòng chảy trong năm làm gia tăng nguy cơ thiếu nước vào mùa khô, ảnh hưởng đến sản xuất và sinh hoạt của hàng triệu người dân.

So sánh với các nghiên cứu tương tự ở các lưu vực lớn khác trong khu vực Đông Nam Á, kết quả phù hợp với xu hướng chung về giảm lượng nước mặt và tăng áp lực sử dụng nước do biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế. Việc ứng dụng mô hình MIKE BASIN với tích hợp GIS giúp trực quan hóa dữ liệu và hỗ trợ ra quyết định quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dòng chảy theo tháng, bản đồ phân bố lượng nước thiếu hụt theo tiểu vùng và bảng tổng hợp nhu cầu sử dụng nước theo ngành, giúp các nhà quản lý dễ dàng nhận diện các điểm nóng và ưu tiên giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường xây dựng và nâng cấp công trình thủy lợi, hồ chứa nhằm điều tiết nước hiệu quả, giảm thiểu thiếu hụt nước vào mùa khô, đặc biệt tại các tiểu lưu vực có nguy cơ cao. Thời gian thực hiện trong 5 năm tới, do các cơ quan quản lý tài nguyên nước và địa phương chủ trì.

  2. Phát triển hệ thống quản lý nước thông minh dựa trên mô hình MIKE BASIN và GIS để theo dõi, dự báo và phân bổ nguồn nước kịp thời, đảm bảo cân bằng cung cầu. Triển khai trong vòng 3 năm, phối hợp giữa Bộ Tài nguyên và Môi trường, các viện nghiên cứu và địa phương.

  3. Khuyến khích áp dụng công nghệ tưới tiết kiệm nước trong nông nghiệp, giảm lượng nước tưới không hiệu quả, nâng cao hiệu suất sử dụng nước. Thời gian thực hiện 3-5 năm, do Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn phối hợp với các tổ chức nông nghiệp.

  4. Tăng cường công tác tuyên truyền, nâng cao nhận thức cộng đồng về sử dụng nước tiết kiệm và bảo vệ nguồn nước, đặc biệt tại các vùng dân cư nông thôn và miền núi. Thực hiện liên tục, do các tổ chức chính quyền địa phương và các tổ chức xã hội đảm nhiệm.

  5. Xây dựng các kịch bản ứng phó với biến đổi khí hậu trong quản lý tài nguyên nước, bao gồm các biện pháp phi công trình như bảo vệ rừng đầu nguồn, phục hồi thảm phủ thực vật để điều hòa dòng chảy. Thời gian thực hiện dài hạn, phối hợp giữa các ngành liên quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý tài nguyên nước và quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội: Luận văn cung cấp dữ liệu và mô hình phân tích cân bằng nước giúp hoạch định chính sách, quy hoạch sử dụng nước hiệu quả và bền vững.

  2. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia thủy văn, môi trường: Cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp mô hình hóa và kết quả thực nghiệm ứng dụng mô hình MIKE BASIN trong điều kiện biến đổi khí hậu.

  3. Các cơ quan quản lý nông nghiệp và thủy lợi: Tham khảo để xây dựng kế hoạch tưới tiêu, quản lý nguồn nước phục vụ sản xuất nông nghiệp, giảm thiểu rủi ro thiếu nước.

  4. Các tổ chức phi chính phủ và cộng đồng dân cư trong lưu vực sông Cả: Nắm bắt thông tin về tình hình tài nguyên nước, tác động biến đổi khí hậu và các giải pháp bảo vệ nguồn nước, nâng cao nhận thức sử dụng nước tiết kiệm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình MIKE BASIN có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
    MIKE BASIN tích hợp GIS, cho phép mô phỏng phân bố nước theo không gian và thời gian với độ chính xác cao, dễ sử dụng và hiệu quả trong quản lý lưu vực đa mục tiêu. Ví dụ, mô hình đã được ứng dụng thành công tại nhiều lưu vực lớn trên thế giới.

  2. Biến đổi khí hậu ảnh hưởng thế nào đến cân bằng nước lưu vực sông Cả?
    Biến đổi khí hậu làm tăng nhiệt độ trung bình, thay đổi lượng mưa theo mùa, dẫn đến giảm dòng chảy mùa khô và tăng nhu cầu nước tưới, gây thiếu hụt nước nghiêm trọng vào mùa khô.

  3. Làm thế nào để giảm thiểu thiếu hụt nước trong lưu vực?
    Có thể tăng cường xây dựng hồ chứa, áp dụng công nghệ tưới tiết kiệm, quản lý nước thông minh và bảo vệ rừng đầu nguồn để điều hòa dòng chảy, đồng thời nâng cao nhận thức cộng đồng về sử dụng nước tiết kiệm.

  4. Phương pháp tính nhu cầu nước cho cây trồng được áp dụng như thế nào?
    Nhu cầu nước được tính dựa trên mô hình CROPWAT sử dụng công thức Penman-Monteith để xác định bốc hơi tiềm năng và hệ số cây trồng Kc, từ đó tính lượng nước cần thiết cho từng loại cây trồng theo điều kiện khí hậu cụ thể.

  5. Làm sao để áp dụng kết quả nghiên cứu vào quản lý thực tiễn?
    Kết quả mô hình cung cấp bản đồ, số liệu chi tiết về cân bằng nước và thiếu hụt theo tiểu vùng, giúp các nhà quản lý xây dựng kế hoạch phân bổ nước, vận hành công trình thủy lợi và đề xuất chính sách phù hợp với điều kiện biến đổi khí hậu.

Kết luận

  • Luận văn đã ứng dụng thành công mô hình MIKE BASIN để tính toán cân bằng nước lưu vực sông Cả, cung cấp cái nhìn tổng thể về tài nguyên nước và nhu cầu sử dụng trong điều kiện biến đổi khí hậu.
  • Kết quả cho thấy biến đổi khí hậu làm giảm nguồn nước mặt và tăng nhu cầu sử dụng, đặc biệt trong nông nghiệp, gây ra thiếu hụt nước nghiêm trọng vào mùa khô.
  • Mô hình MIKE BASIN được hiệu chỉnh với sai số dưới 10%, đảm bảo độ tin cậy trong dự báo và hỗ trợ quản lý tài nguyên nước hiệu quả.
  • Đề xuất các giải pháp công trình và phi công trình nhằm cải thiện cân bằng nước, giảm thiểu thiếu hụt và nâng cao hiệu quả sử dụng nước trong lưu vực.
  • Các bước tiếp theo cần triển khai áp dụng mô hình trong quản lý thực tiễn, cập nhật dữ liệu liên tục và mở rộng nghiên cứu đến các kịch bản biến đổi khí hậu khác để đảm bảo phát triển bền vững tài nguyên nước lưu vực sông Cả.

Hành động ngay hôm nay để bảo vệ nguồn nước và phát triển bền vững lưu vực sông Cả!