Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lưu vực sông Nam Souang thuộc huyện Naxaithong (Thủ đô Viêng Chăn) và huyện PhonHong (tỉnh Viêng Chăn), Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào, giữ vị trí then chốt trong việc sản xuất nông nghiệp và cung cấp lương thực cho toàn bộ thủ đô. Công trình hồ chứa nước Nam Souang là một hệ thống đại thủy nông điển hình, giữ vai trò quyết định trong việc điều tiết nguồn nước phục vụ sản xuất nông nghiệp, sinh hoạt và dịch vụ trong khu vực. Tuy nhiên, sự phát triển kinh tế - xã hội nhanh chóng, sự gia tăng dân số và kế hoạch mở rộng diện tích canh tác đã làm gia tăng đáng kể nhu cầu dùng nước. Đồng thời, biến đổi khí hậu (BĐKH) đang diễn biến ngày càng phức tạp tại Lào với xu thế nhiệt độ tăng cao làm gia tăng lượng bốc hơi, lượng mưa phân bố không đều giữa các mùa (tăng mạnh vào mùa mưa gây nguy cơ lũ lụt và suy giảm nghiêm trọng vào mùa khô gây hạn hán). Thực trạng này đặt ra yêu cầu cấp thiết phải đánh giá định lượng tác động của BĐKH và hoạt động kinh tế đến bài toán cân bằng nước của hệ thống hồ chứa Nam Souang nhằm xây dựng phương án khai thác, quản lý nguồn nước hợp lý và bền vững.

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Khanxay KHAMMANIVONG (Trường Đại học Thủy Lợi, 2016) xác định mục tiêu và 4 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

  1. Mô phỏng được dòng chảy đến hồ chứa Nam Souang theo các kịch bản khí hậu;
  2. Tính toán được yêu cầu sử dụng nước của vùng sông Nam Souang theo các kịch bản phát triển;
  3. Đánh giá được ảnh hưởng của BĐKH và phát triển kinh tế đến nhu cầu nước của hệ thống tưới hồ Nam Souang trong hiện tại và các kịch bản tương lai (đến năm 2030s và 2050s);
  4. Đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả quản lý vận hành hồ trong điều kiện BĐKH cho hệ thống tưới hồ Nam Souang.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là ảnh hưởng của BĐKH và phát triển kinh tế đến nhu cầu nước và trạng thái cân bằng nước của hệ thống hồ chứa Nam Souang, Thủ đô Viêng Chăn. Phạm vi không gian nghiên cứu bao gồm toàn bộ lưu vực và hệ thống tưới hồ Nam Souang (diện tích lưu vực khoảng 345 km²) thuộc huyện Naxaithong (Thủ đô Viêng Chăn) và một phần huyện PhonHong (tỉnh Viêng Chăn). Phạm vi thời gian bao gồm chuỗi số liệu khí tượng thủy văn thời kỳ cơ sở (1980–2000, 2006–2014) và các mốc thời gian dự báo tương lai đến các thập niên 2030 (2030s) và 2050 (2050s).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cân bằng nước hệ thống nguồn nước và nguyên lý điều tiết hồ chứa. Hệ thống nguồn nước được nhìn nhận toàn diện theo định nghĩa của Ven Te Chow, bao gồm nguồn tài nguyên nước, công trình khai thác, các đối tượng dùng nước và sự tương tác qua lại dưới tác động của môi trường và con người. Phương trình cân bằng nước hồ chứa tổng quát được thiết lập dưới dạng vi phân và sai phân:

$$\left[ Q(t) - q(t) \right] dt = dV$$ $$V(i) = V(i-1) + \left[ Q(i) - q(i) \right] \Delta t$$

Trong đó, lưu lượng xả và tháo ra khỏi hồ $q(i)$ bao gồm: lưu lượng nước yêu cầu cấp cho các ngành ($q_{yc}$), lưu lượng tổn thất bốc hơi phụ thêm ($q_{bh}$), lưu lượng tổn thất do thấm ($q_{th}$) và lưu lượng xả thừa ($q_x$). Tổn thất bốc hơi phụ thêm được xác định qua công thức $W_{bh}(i) = 1000 \cdot \Delta Z(i) \cdot F(i)$, và tổn thất do thấm được tính toán qua hệ số thấm $W_{th}(i) = K% \cdot V(i)$.

Do lưu vực hồ Nam Souang không có trạm đo thủy văn quan trắc dòng chảy trực tiếp, tác giả đã áp dụng phương pháp lưu vực tương tự kết hợp mô hình thủy văn mưa - dòng chảy MIKE 11 NAM (DHI). Lưu vực sông Kasy (cách lưu vực nghiên cứu khoảng 50 km về phía Bắc) có điều kiện địa hình, thảm phủ và khí hậu tương đồng được lựa chọn làm lưu vực tương tự để thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định thông số mô hình. Mô hình NAM mô phỏng dòng chảy thông qua tính toán cân bằng ẩm liên tục trên 4 tầng bể chứa thẳng đứng: bể mặt ($U_{max}$), bể tầng rễ ($L_{max}$), bể ngầm tầng trên và bể ngầm tầng dưới, cùng hệ thống các thông số dòng chảy tràn ($CQOF$), dòng chảy sát mặt ($CQIF$), dòng chảy ngầm ($CKBF$, $CBL$) và các hằng số thời gian tập trung nước ($CK_1, CK_2$).

Mức độ phù hợp của mô hình NAM được đánh giá thông qua chỉ số hiệu quả Nash-Sutcliffe ($E$), hệ số tương quan ($R^2$) và sai số tổng lượng dòng chảy ($WBL, %$):

$$Nash = 1 - \frac{\sum (Q_o - Q_m)^2}{\sum (Q_o - \bar{Q}_o)^2}$$

Nhu cầu tưới của các loại cây trồng được xác định thông qua phần mềm CROPWAT của FAO dựa trên số liệu bốc thoát hơi nước chuẩn ($ET_0$), lượng mưa hiệu quả, giai đoạn sinh trưởng và hệ số cây trồng ($K_c$), độ ẩm và đặc tính cơ lý của đất canh tác. Dữ liệu địa hình và mạng lưới thủy hệ được trích xuất từ mô hình số độ cao (DEM) bằng công cụ ArcGIS.

Kịch bản biến đổi khí hậu sử dụng trong nghiên cứu là kịch bản phát thải trung bình B2 do Cục Khí tượng Thủy văn Thủ đô Viêng Chăn xây dựng dựa trên báo cáo của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC) và Ủy ban sông Mê Kông (MRC), ứng dụng phương pháp tổ hợp (MAGICC/SCENGEN 5.3) và chi tiết hóa thống kê (Downscaling) với thời kỳ cơ sở 1980–2000.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về cân bằng nước hệ thống, điều tiết hồ chứa và tổng quan về biến đổi khí hậu toàn cầu, khu vực Đông Nam Á và CHDCND Lào. Tác giả tổng hợp các nghiên cứu tác động của BĐKH đối với lưu vực sông Mê Kông của các tác giả Eastham (2008), Timo A. Räsänen (2014), Chu Thái Hoành, cũng như các đánh giá của Ủy ban sông Mê Kông (MRC).

Theo kịch bản phát thải trung bình B2 được công bố cho Thủ đô Viêng Chăn, biến đổi nhiệt độ và lượng mưa qua các mốc thời gian trong thế kỷ 21 so với thời kỳ nền (1980–2000) được tổng hợp như sau:

Mốc thời gian Mức tăng nhiệt độ trung bình năm (°C) Mức thay đổi lượng mưa năm (%)
Thập niên 2030 (2030s) 0,7 – 1,0 (2,0) – 1,2
Thập niên 2050 (2050s) 1,1 – 1,7 (4,5) – 8,2
Thập niên 2070 (2070s) 1,5 – 2,8 (6,0) – 12,5
Năm 2100 2,0 – 3,3 (8,2) – 16,5

Về điều kiện tự nhiên, lưu vực hồ Nam Souang có địa hình bằng phẳng ở phía Đông Nam (cao độ 150–200 m) và đồi núi ở phía Tây Bắc (cao độ trung bình 500 m, chiếm 30% diện tích lưu vực). Số liệu khí tượng trạm Viêng Chăn thời kỳ 1980–2000 cho thấy: lượng bốc hơi trung bình năm đạt 1.549,0 mm (thấp nhất vào tháng VII với 45,6 mm; cao nhất vào tháng III); độ ẩm trung bình năm đạt 74% (mùa mưa đạt 89%, mùa khô dưới 55%); lượng mưa trung bình năm đạt 1.600 mm (dao động từ 1.076,5 mm đến 2.290,0 mm), trong đó mùa mưa từ tháng 4 đến tháng 10 chiếm tới 95% tổng lượng mưa cả năm; tổng số giờ nắng trung bình đạt 2.383,4 giờ/năm.

Hệ thống công trình hồ chứa Nam Souang có các thông số kỹ thuật thiết kế chính như sau:

Thông số kỹ thuật Giá trị thiết kế Đơn vị
Cấp công trình Cấp IV -
Mức đảm bảo tưới ($P$) 75 %
Tần suất thiết kế chống lũ ($P_{tk}$) 1,0 %
Mực nước dâng bình thường (MNDBT) +181,75 m
Cao trình đáy sông +161,00 m
Dung tích ứng với MNDGC 127,00 triệu m³
Dung tích ứng với MNDBT 91,08 triệu m³
Dung tích chết (ứng với MNC) 34,00 triệu m³
Diện tích mặt nước ứng với MNDGC 20,31 km²
Diện tích mặt nước ứng với MNDBT 15,95 km²
Diện tích mặt nước ứng với MNC 3,95 km²
Đập chính (đập đất đồng chất) Chiều dài: 1.350; Chiều cao max: 22,00; Bề rộng đỉnh: 6,00 m
Cao trình đỉnh đập / Cao trình chân đập +189,00 / +167,00 m
Hệ số mái đập ($m_{tl} / m_{hl}$) 3,0 / 2,0 -
Tràn xả lũ (ngưỡng tràn / chiều dài / lưu lượng xả max) +181,75 m / 4 khoang dài 70 m / 250,0 m³/s
Cống lấy nước (kết cấu BTCT, cống hộp 3 cửa van phẳng) Nam Souang: 300x200 cm; Nam Houm: 200x100 cm -
Cao trình đáy cống / Lưu lượng qua cống tối đa +171,50 m / 72,00 m³/s

Về nhiệm vụ công trình, hồ Nam Souang cấp nước tưới cho 7.000 ha đất nông nghiệp (6.250 ha lúa Chiêm Xuân, 750 ha cây màu cạn gồm 600 ha ngô và 150 ha lạc); cấp nước sinh hoạt cho 3.221 hộ dân (29.780 nhân khẩu năm 2015, dự kiến 34.520 người năm 2020 theo tốc độ tăng dân số 3%/năm); phục vụ du lịch bình quân 500 lượt khách/năm và chuyển nước cho huyện Kasy sản xuất nước máy với lưu lượng 0,05 m³/s trong các tháng mùa kiệt. Hệ thống chuyển dẫn gồm kênh chính bằng đất dài 6 km và hệ thống kênh cấp I, cấp II dài 53 km.

Chương 2: Mô phỏng dòng chảy và tính toán cân bằng nước trong lưu vực

Chương 2 trình bày quy trình ứng dụng mô hình MIKE 11 NAM để khôi phục dòng chảy đến hồ Nam Souang và tính toán nhu cầu dùng nước của các ngành. Bộ thông số mô hình NAM được xác định thông qua quá trình hiệu chỉnh tự động kết hợp hiệu chỉnh bằng tay trên chuỗi số liệu thực đo tại trạm Kasy giai đoạn 2006–2010 và kiểm định trên chuỗi số liệu giai đoạn 2011–2014:

Giai đoạn Chuỗi thời gian Hệ số tương quan ($R^2$) Chỉ số Nash-Sutcliffe ($Nash$) Sai số tổng lượng ($WBL$)
Hiệu chỉnh 2006 – 2010 0,91 0,92 8,6%
Kiểm định 2011 – 2014 0,90 0,95 7,6%

Kết quả đánh giá cho thấy chỉ số Nash đều vượt trên 0,90 và sai số khối lượng $WBL < 10%$, chứng minh bộ thông số mô hình có độ tin cậy cao để chuyển giao sang mô phỏng dòng chảy đến hồ Nam Souang cho các giai đoạn: thời kỳ nền 1980–2000, thời kỳ 2030s và 2050s theo kịch bản B2.

Song song với việc mô phỏng dòng chảy đến, tác giả sử dụng phần mềm CROPWAT để tính toán chế độ tưới cho các loại cây trồng theo từng thời kỳ. Dưới tác động của BĐKH, nhiệt độ không khí tăng làm tăng bốc thoát hơi nước tham chiếu ($ET_0$) qua các thời kỳ, kéo theo sự gia tăng tổng lượng nước tưới yêu cầu trên diện tích canh tác (hiện trạng 7.600 ha năm 2015 và quy hoạch mở rộng tối đa 12.350 ha vào năm 2030). Nhu cầu nước phi nông nghiệp (nước sinh hoạt, du lịch và lưu lượng chuyển nước 0,05 m³/s cho trạm cấp nước huyện Kasy trong mùa kiệt) cũng được tính toán tổng hợp cho từng kịch bản. Ngoài ra, chương 2 đã xác định lượng nước tổn thất mặt hồ bao gồm tổn thất do bốc hơi phụ thêm và tổn thất do thấm theo dung tích trữ thực tế.

Chương 3: Cân bằng nước hồ chứa và đánh giá ảnh hưởng của BĐKH và phát triển KT-XH đến cân bằng nước

Chương 3 tiến hành tính toán điều tiết hồ chứa Nam Souang theo phương pháp điều tiết toàn liệt cho chuỗi dòng chảy thời kỳ nền (1980–2000), thời kỳ 2030s và thời kỳ 2050s với mức đảm bảo cấp nước thiết kế $P = 75%$.

Kết quả tính toán cân bằng nước chỉ ra rằng:

  • Trong thời kỳ nền (1980–2000), hồ chứa Nam Souang cơ bản đáp ứng đủ nhu cầu cấp nước tưới nông nghiệp cho 7.000 ha và nhu cầu dùng nước sinh hoạt, du lịch.
  • Ở các thời kỳ tương lai (2030s và 2050s), dưới tác động kép của BĐKH (dòng chảy đến mùa khô suy giảm, bốc hơi mặt nước và nhu cầu tưới tăng) cùng với sự gia tăng dân số và mở rộng diện tích canh tác lên 12.350 ha theo quy hoạch, hệ thống xuất hiện tình trạng thiếu hụt nguồn nước nghiêm trọng vào các tháng mùa kiệt (tháng 1 đến tháng 4), không đảm bảo được mức đảm bảo cấp nước $P = 75%$.

Trên cơ sở đó, tác giả đề xuất các nhóm giải pháp nhằm ứng phó và nâng cao hiệu quả quản lý khai thác hệ thống:

  • Giải pháp phi công trình: Điều chỉnh quy trình vận hành hồ chứa theo hướng tích nước sớm vào cuối mùa lũ; lập kế hoạch phân phối nước hợp lý theo từng thời đoạn; chuyển đổi cơ cấu cây trồng mùa khô sang các loại cây trồng cạn có nhu cầu nước thấp hơn lúa (ngô, lạc, đậu); áp dụng kỹ thuật tưới tiết kiệm nước; tăng cường năng lực quản lý tổng hợp tài nguyên nước tại lưu vực.
  • Giải pháp công trình: Cải tạo, kiên cố hóa hệ thống kênh chính (6 km) và mạng lưới kênh cấp I, cấp II (53 km) vốn hiện trạng là kênh đất nhằm hạn chế triệt để tổn thất do thấm; duy tu, nâng cấp công trình đầu mối và cống lấy nước để đảm bảo an toàn công trình và nâng cao năng lực điều tiết.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả định lượng cụ thể:

  • Thiết lập thành công bộ thông số mô hình thủy văn MIKE 11 NAM cho lưu vực nghiên cứu thông qua trạm tương tự Kasy với độ chính xác cao ($R^2 = 0,90 - 0,91$; $Nash = 0,92 - 0,95$; $WBL = 7,6 - 8,6%$), giải quyết bài toán thiếu chuỗi số liệu quan trắc dòng chảy trực tiếp tại lưu vực hồ Nam Souang.
  • Định lượng chi tiết sự biến động của chế độ khí hậu trạm Viêng Chăn theo kịch bản B2: nhiệt độ trung bình năm tăng 0,7–1,0°C vào năm 2030 và 1,1–1,7°C vào năm 2050; lượng mưa biến động tương ứng (2,0)–1,2% (2030) và (4,5)–8,2% (2050).
  • Xác định mức tăng nhu cầu nước tưới của các loại cây trồng bằng mô hình CROPWAT và tổng hợp toàn diện nhu cầu nước của các ngành dùng nước (nông nghiệp, sinh hoạt của 29.780 người, du lịch 500 khách/năm, chuyển nước 0,05 m³/s) cho các mốc thời gian 2015, 2030 và 2050.
  • Đánh giá khả năng điều tiết và mức độ thiếu hụt nguồn nước của hồ Nam Souang (dung tích hữu ích 57,08 triệu m³, dung tích toàn bộ 91,08 triệu m³) trong tương lai, chỉ ra sự mất cân bằng nước nghiêm trọng vào mùa khô.

Đóng góp của luận văn là cung cấp cơ sở khoa học và bộ số liệu tính toán định lượng phục vụ công tác quy hoạch, điều chỉnh quy trình vận hành hồ chứa Nam Souang; đồng thời đề xuất khung giải pháp thích ứng kết hợp giữa công trình kiên cố hóa kênh mương và phi công trình điều tiết tích nước sớm nhằm hỗ trợ phát triển nông nghiệp bền vững cho Thủ đô Viêng Chăn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận tồn tại một số hạn chế gắn liền với phạm vi và điều kiện thực tế:

  • Lưu vực nghiên cứu không có trạm quan trắc thủy văn tại chỗ, việc xác định dòng chảy đến phụ thuộc hoàn toàn vào phương pháp chuyển giao thông số từ lưu vực tương tự Kasy;
  • Phạm vi kịch bản khí hậu mới chỉ tập trung phân tích kịch bản phát thải trung bình B2, chưa so sánh đồng thời với các kịch bản phát thải thấp (B1) hoặc phát thải cao (A2);
  • Số liệu tính toán tổn thất thấm trên hệ thống kênh mương 59 km (6 km kênh chính, 53 km kênh cấp I, II) chủ yếu dựa trên các hệ số kinh nghiệm và giả định thiết kế kênh đất.

Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

  • Xây dựng trạm quan trắc khí tượng thủy văn tự động trực tiếp trên lưu vực sông Nam Souang để thu thập số liệu thực đo phục vụ kiểm định lại mô hình;
  • Cập nhật tính toán cân bằng nước theo các kịch bản biến đổi khí hậu mới nhất của IPCC (các kịch bản RCP) và tích hợp bài toán vận hành liên hồ chứa giữa hồ Nam Souang và hồ Nam Houm.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận có giá trị tham khảo thiết thực đối với:

  • Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc các ngành Kỹ thuật tài nguyên nước, Thủy văn học, Quản lý tài nguyên nước và Biến đổi khí hậu, đặc biệt là những người thực hiện đề tài tại các khu vực thiếu số liệu quan trắc thủy văn;
  • Các kỹ sư thiết kế và cơ quan quản lý khai thác công trình thủy lợi tại CHDCND Lào trong việc tham khảo quy trình ứng dụng mô hình MIKE 11 NAM kết hợp CROPWAT để tính toán điều tiết hồ chứa và xây dựng quy trình tích nước sớm ứng phó với hạn hán mùa khô.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận giải quyết tình trạng thiếu số liệu quan trắc dòng chảy tại lưu vực hồ Nam Souang bằng phương pháp nào?
Tác giả sử dụng phương pháp lưu vực tương tự, lựa chọn lưu vực sông Kasy (nằm cách lưu vực nghiên cứu 50 km về phía Bắc, có chuỗi số liệu thực đo đầy đủ giai đoạn 2006–2014 và tương đồng về địa hình, khí hậu). Mô hình MIKE 11 NAM được hiệu chỉnh (2006–2010) và kiểm định (2011–2014) tại trạm Kasy đạt chỉ số $Nash = 0,92 - 0,95$, sau đó bộ thông số này được áp dụng để mô phỏng dòng chảy đến hồ Nam Souang.

2. Các thông số mực nước và dung tích thiết kế cơ bản của hồ Nam Souang là bao nhiêu?
Công trình hồ Nam Souang có mực nước dâng bình thường (MNDBT) ở cao trình +181,75 m; dung tích ứng với MNDBT là 91,08 triệu m³; dung tích ứng với mực nước dâng gia cường (MNDGC) là 127,00 triệu m³; dung tích chết ứng với mực nước chết (MNC) là 34,00 triệu m³; diện tích mặt nước tương ứng với MNDBT là 15,95 km².

3. Theo kịch bản phát thải trung bình B2, nhiệt độ và lượng mưa tại Thủ đô Viêng Chăn được dự báo thay đổi như thế nào vào các thập niên 2030 và 2050?
So với thời kỳ cơ sở (1980–2000), nhiệt độ trung bình năm được dự báo tăng từ 0,7–1,0°C vào thập niên 2030 và tăng từ 1,1–1,7°C vào thập niên 2050. Lượng mưa năm biến động trong khoảng (2,0) đến 1,2% vào thập niên 2030 và biến động từ (4,5) đến 8,2% vào thập niên 2050, trong đó lượng mưa mùa khô có xu hướng giảm mạnh và lượng mưa mùa mưa tăng lên.

4. Quy mô các đối tượng dùng nước chính thuộc hệ thống hồ Nam Souang được xác định gồm những thành phần nào?
Hệ thống phục vụ tưới cho 7.000 ha đất nông nghiệp (6.250 ha lúa Chiêm Xuân và 750 ha cây màu cạn gồm 600 ha ngô, 150 ha lạc; quy hoạch mở rộng đến 12.350 ha vào năm 2030); cấp nước sinh hoạt cho 3.221 hộ gia đình với 29.780 nhân khẩu (năm 2015); phục vụ 500 lượt khách du lịch/năm; và chuyển nước cho huyện Kasy sản xuất nước máy với lưu lượng 0,05 m³/s trong các tháng mùa kiệt.

5. Kết cấu và quy mô công trình xả lũ và cống lấy nước của hồ Nam Souang có đặc điểm gì?
Tràn xả lũ có cao trình ngưỡng tràn +181,75 m, gồm 4 khoang tràn với tổng chiều dài 70 m, lưu lượng xả lớn nhất thiết kế là 250 m³/s. Cống lấy nước bằng bê tông cốt thép dạng cống hộp 3 cửa van phẳng, kích thước cửa cống Nam Souang là 300x200 cm, cao trình đáy cống +171,50 m và lưu lượng qua cống tối đa đạt 72,00 m³/s.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Khanxay KHAMMANIVONG đã giải quyết trọn vẹn bài toán đánh giá tác động của biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế đến cân bằng nước của hồ chứa Nam Souang, Thủ đô Viêng Chăn. Thông qua việc kết hợp hiệu quả mô hình thủy văn MIKE 11 NAM, mô hình tính nhu cầu nước CROPWAT và kịch bản phát thải B2, nghiên cứu đã định lượng được dòng chảy đến, nhu cầu sử dụng nước và mức độ thiếu hụt nguồn nước của hồ chứa trong các giai đoạn tương lai 2030s và 2050s. Các giải pháp công trình kiên cố hóa kênh mương kết hợp quy trình điều tiết tích nước sớm được đề xuất là căn cứ kỹ thuật quan trọng nhằm nâng cao hiệu quả quản lý nguồn nước và bảo đảm an ninh lương thực cho khu vực nghiên cứu.