Tổng quan nghiên cứu

Tài nguyên nước tại tỉnh Cao Bằng giữ vai trò huyết mạch đối với sự phát triển kinh tế - xã hội của một địa bàn miền núi có diện tích tự nhiên 6.717 km2 và quy mô dân số đạt 513.108 người vào năm 2010. Dù sở hữu mạng lưới sông suối phong phú với khoảng 1.200 sông, suối lớn nhỏ có tổng chiều dài 3.175 km và mật độ 0,47 km/km2, nguồn nước nơi đây lại phân bố vô cùng bất đối xứng theo không gian và thời gian. Lượng mưa trung bình năm đạt khoảng 1.600 mm nhưng tập trung tới 75% - 80% vào các tháng mùa lũ, trong khi mùa khô kéo dài gây nên tình trạng hạn kiệt nghiêm trọng tại các vùng núi đá vôi như Hà Quảng hay Trùng Khánh.

Vấn đề nghiên cứu cốt lõi của đề tài bắt nguồn từ mâu thuẫn gay gắt trong việc khai thác và chia sẻ nguồn nước giữa các ngành kinh tế trọng điểm như nông nghiệp, công nghiệp khai khoáng, thủy điện và sinh hoạt đô thị. Trước thực trạng đó, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên nước tại Trường Đại học Thủy lợi đặt ra mục tiêu ứng dụng phương pháp quy hoạch tuyến tính để xây dựng mô hình phân bổ nguồn nước tối ưu, vừa bảo đảm tối đa hóa lợi ích kinh tế cho toàn tỉnh, vừa duy trì an ninh nguồn nước và tính bền vững sinh thái.

Phạm vi không gian nghiên cứu bao quát toàn bộ 13 đơn vị hành chính cấp huyện, thành phố của tỉnh Cao Bằng, dựa trên cơ sở dữ liệu nền năm 2010 và định hướng quy hoạch phân bổ cho hai giai đoạn 2015 và 2020. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc cung cấp công cụ toán học định lượng giúp các nhà quản lý cắt giảm từ 15% đến 20% lượng nước thiếu hụt trong các tháng kiệt cao điểm, nâng cao hiệu quả khai thác trên từng mét khối nước cho toàn hệ thống lưu vực sông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng hai nền tảng lý thuyết khoa học trọng tâm gồm: Lý thuyết Quản lý Tổng hợp Tài nguyên Nước (IWRM) và Lý thuyết Tối ưu hóa Hệ thống thông qua Quy hoạch Tuyến tính (Linear Programming). Căn cứ theo Luật Tài nguyên nước năm 2012 và Nghị định số 120/2008/NĐ-CP của Chính phủ về quản lý lưu vực sông, nguồn nước được nhìn nhận là một dạng tài nguyên động, có giá trị kinh tế và chịu sự phụ thuộc đa chiều giữa các hộ tiêu thụ.

Mô hình nghiên cứu áp dụng thuật toán Đơn hình (Simplex Method) kinh điển để tìm nghiệm tối ưu cho bài toán dạng chuẩn tắc và chính tắc. Khung lý thuyết làm rõ 4 khái niệm trụ cột: Hàm mục tiêu kinh tế hướng đến cực đại hóa tổng giá trị sản xuất thu được từ việc phân bổ nước; Biến tối ưu đại diện cho khối lượng nước cấp cho từng ngành kinh tế theo từng tháng; Điều kiện ràng buộc nguồn biểu thị giới hạn thực tế về trữ lượng nước mặt và nước dưới đất; Dòng chảy môi trường đóng vai trò là ngưỡng lưu lượng tối thiểu bắt buộc phải duy trì trên sông suối nhằm bảo tồn hệ sinh thái thủy sinh.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tích hợp chuỗi dữ liệu đa nguồn gồm số liệu khí tượng - thủy văn thực đo liên tục trong 51 năm (giai đoạn 1960 - 2010) tại 8 trạm quan trắc đại diện (Cao Bằng, Bản Co, Bản Giốc, Bắc Mê, Tà Sa, Đức Thông, Nà Vường, Bảo Lạc), kết hợp các niên giám thống kê và báo cáo quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Cao Bằng đến năm 2020.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 8 trạm thủy văn quan trắc đại diện phân bố trên 3 hệ thống sông chính (sông Bằng, sông Gâm, sông Quây Sơn) với 51 mốc dữ liệu chuỗi dòng chảy năm. Phương pháp chọn mẫu là phương pháp chọn mẫu phân tầng theo không gian lưu vực kết hợp chọn mẫu chuỗi thời gian liên tục, bảo đảm tính đại diện đầy đủ cho các tiểu vùng sinh thái từ bình địa trũng đến cao nguyên đá vôi hiểm trở.

Về phương pháp phân tích, tác giả sử dụng mô hình mưa - dòng chảy MIKE NAM (thuộc hệ thống mô hình MIKE 11) để tính toán dòng chảy đến và lượng trữ tự nhiên, sau đó sử dụng công cụ Solver trong phần mềm Excel để giải bài toán quy hoạch tuyến tính. Lý do lựa chọn phương pháp quy hoạch tuyến tính là nhờ tính tất định, cấu trúc thuật toán chặt chẽ và khả năng giải quyết triệt để bài toán phân bổ tài nguyên đa biến mà không đòi hỏi chi phí phần mềm quá phức tạp, rất phù hợp với điều kiện ứng dụng thực tế tại các cơ quan quản lý địa phương. Timeline nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2010 - 2013 với các mốc tính toán dự báo cụ thể cho năm 2015 và 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu chỉ ra sự bất cân đối sâu sắc của dòng chảy tự nhiên trên địa bàn tỉnh Cao Bằng. Lượng dòng chảy trong 4 tháng mùa lũ (tháng 6 đến tháng 9) chiếm từ 65% đến 80% tổng lượng nước cả năm, trong khi mùa kiệt kéo dài suốt 7 tháng chỉ đóng góp từ 20% đến 35%. Đáng chú ý, 3 tháng khô hạn đỉnh điểm (tháng 12 đến tháng 2 năm sau) chỉ chiếm 4,3% - 6,7% lượng dòng chảy năm, khiến mô đuyn dòng chảy nhỏ nhất tại một số trạm hạ xuống mức báo động như trạm Đức Thông chỉ đạt 0,5 l/s/km2 và trạm Bản Co là 0,6 l/s/km2.

Thứ hai, nhu cầu sử dụng nước có sự dịch chuyển và gia tăng mạnh mẽ theo tốc độ đô thị hóa và phát triển công nghiệp. Ngành nông nghiệp tiếp tục chiếm tỷ trọng chi phối trên 85% tổng nhu cầu nước toàn tỉnh, trong khi quá trình nâng cấp đô thị làm gia tăng dân số thành thị từ 87.045 người (năm 2010) lên 159.962 người (năm 2020), tương ứng mức tăng 83,7%. Tốc độ tăng trưởng công nghiệp bình quân đạt 16,9%/năm tạo áp lực cấp nước rất lớn cho các cụm công nghiệp tập trung tại Đề Thám, Chu Trinh và Tà Lùng.

Thứ ba, mô hình quy hoạch tuyến tính đã xác lập phương án phân bổ tối ưu cho tháng 3 - thời điểm kiệt quệ nguồn nước nhất trong năm. Kết quả giải bài toán tối ưu trên hai phương án phân bổ năm 2015 và 2020 cho thấy: sau khi đáp ứng 100% nhu cầu sinh hoạt thiết yếu và duy trì dòng chảy môi trường, nguồn nước được điều tiết linh hoạt giữa trồng trọt, chăn nuôi, thủy sản và công nghiệp, giúp nâng cao giá trị gia tăng kinh tế tổng thể trên mỗi mét khối nước thêm khoảng 12,5% - 15,8% so với phương thức phân bổ cơ học truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng thiếu nước nghiêm trọng trong mùa khô xuất phát từ cấu trúc địa chất karst đặc thù của miền núi Đông Bắc. Với hơn 75% diện tích đất tự nhiên có độ dốc trên 25 độ, địa hình chia cắt mạnh cùng hệ thống hang ngầm đá vôi làm cho nước mưa nhanh chóng thoát xuống tầng sâu hoặc đổ về hạ lưu mà không lưu lại trên mặt đất. Thêm vào đó, toàn tỉnh chỉ có khoảng 47 công trình hồ chứa với quy mô nhỏ (điển hình như hồ Bản Viết có dung tích 3,143 triệu m3 phục vụ 135 ha canh tác), chưa đáp ứng đủ năng lực điều tiết nước liên mùa.

So với các mô hình phân bổ nước truyền thống vốn chỉ tính toán cân bằng nước tĩnh theo định mức cào bằng, phương pháp quy hoạch tuyến tính trong luận văn đã gắn kết trực tiếp khối lượng nước sử dụng với hệ số sinh lời kinh tế của từng ngành. Cách tiếp cận này tương đồng với các nghiên cứu phân tích hệ thống tài nguyên nước tiên tiến trên thế giới, chứng minh rằng việc định lượng hóa giá trị kinh tế của nước là chìa khóa giải quyết xung đột lợi ích giữa thượng lưu và hạ lưu.

Để trực quan hóa các kết quả nghiên cứu, dữ liệu được thiết kế trình bày hiệu quả qua biểu đồ tròn phản ánh cơ cấu nhu cầu nước giữa các nhóm ngành, bảng ma trận giới hạn dòng kiệt tại 8 trạm thủy văn quan trắc, và biểu đồ cột so sánh tổng giá trị kinh tế thu được giữa Phương án 1 và Phương án 2 trong tháng 3 của các giai đoạn quy hoạch 2015 và 2020.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả tối ưu hóa, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp hành động cụ thể nhằm hoàn thiện công tác quản lý và phân bổ tài nguyên nước tại Cao Bằng:

  1. Ban hành hạn ngạch và quy chế phân bổ tài nguyên nước cấp tỉnh: Hoàn thành việc cấp phép khai thác nguồn nước mặt và nước dưới đất cho 100% các đơn vị công nghiệp, thủy điện và cấp nước sạch trước năm 2016, thiết lập cơ chế chia sẻ nguồn nước minh bạch do Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Cao Bằng chủ trì thực hiện.
  2. Nâng cấp và mở rộng năng lực tích trữ của hệ thống công trình thủy lợi: Tiến hành gia cố, nạo vét 47 hồ chứa hiện có và đầu tư xây dựng mới các cụm hồ điều tiết tại các vùng khan hiếm nước nghiêm trọng như Lục Khu (Hà Quảng) và Trùng Khánh nhằm tăng dung tích trữ thêm tối thiểu 15 triệu m3 nước trước năm 2020, do Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn làm chủ đầu tư kỹ thuật.
  3. Ứng dụng công nghệ tưới tiết kiệm và kiểm soát tuần hoàn nước thải: Chuyển đổi phương thức tưới phun mưa, tưới nhỏ giọt cho cây màu nhằm giảm từ 15% đến 20% thất thoát nước nông nghiệp, đồng thời bắt buộc các cụm công nghiệp Đề Thám, Chu Trinh và Tà Lùng xử lý và tái sử dụng tối thiểu 80% lượng nước thải sản xuất trước năm 2018, do Ban Quản lý các Khu công nghiệp cùng các hợp tác xã nông nghiệp phối hợp thực hiện.
  4. Thiết lập hệ thống quan trắc dòng chảy tự động và số hóa công cụ điều hành: Lắp đặt thêm 5 trạm đo thủy văn tự động trên lưu vực sông Bằng và sông Gâm giai đoạn 2016 - 2020, tích hợp mô hình quy hoạch tuyến tính vào phần mềm giám sát tài nguyên nước của tỉnh, do Trung tâm Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước miền Bắc phối hợp vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo khoa học và ứng dụng thực tiễn giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Nhà quản lý tài nguyên và hoạch định chính sách: Cán bộ tại Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn có thể sử dụng phương pháp luận và các kết quả tính toán để xây dựng quy hoạch phân bổ tài nguyên nước cấp tỉnh trên địa bàn 13 huyện, thành phố.
  2. Kỹ sư quy hoạch thủy lợi và chuyên gia mô hình hóa: Cung cấp quy trình từng bước từ việc mô phỏng thủy văn bằng mô hình MIKE NAM đến cách thiết lập hàm mục tiêu và giải bài toán tối ưu trên công cụ Solver của Excel phục vụ điều tiết hồ chứa.
  3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Là tài liệu tham khảo bổ ích thuộc chuyên ngành Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên nước, Kỹ thuật tài nguyên nước trong việc xử lý chuỗi số liệu thủy văn 51 năm và giải quyết bài toán phân bổ nguồn nước khan hiếm vùng núi cao.
  4. Doanh nghiệp khai thác thủy điện, cấp nước và khu công nghiệp: Cung cấp bức tranh toàn cảnh về trữ lượng dòng chảy trên 3 lưu vực sông chính (sông Bằng, sông Gâm, sông Quây Sơn), giúp doanh nghiệp xây dựng phương án khai thác an toàn, tuân thủ đúng yêu cầu dòng chảy môi trường và phòng ngừa rủi ro thiếu nước mùa kiệt.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp quy hoạch tuyến tính mang lại ưu thế gì so với cách phân bổ nước truyền thống?
Phương pháp này gắn kết trực tiếp khối lượng nước cấp với giá trị kinh tế và các giới hạn kỹ thuật. Thay vì cấp nước cào bằng, thuật toán Đơn hình tìm ra điểm tối ưu giúp nâng cao hiệu quả kinh tế sử dụng nước thêm 12,5% - 15,8% và hạn chế tối đa tình trạng lãng phí nguồn nước trong mùa khô tại Cao Bằng.

Đặc điểm địa hình karst ảnh hưởng như thế nào đến nguồn nước tại Cao Bằng?
Địa hình karst đá vôi chiếm diện tích lớn với hơn 75% đất có độ dốc trên 25 độ khiến nước mưa nhanh chóng ngấm sâu vào các hang hốc ngầm hoặc thoát ra sông suối. Điều này làm dòng chảy mặt mùa kiệt suy giảm mạnh, như tại trạm Bản Co lưu lượng trung bình chỉ đạt 18,8 l/s/km2, gây khó khăn lớn cho việc giữ nước bề mặt.

Mô hình MIKE NAM đóng vai trò gì trong luận văn?
Mô hình MIKE NAM được sử dụng để mô phỏng mối quan hệ mưa - dòng chảy từ chuỗi số liệu khí tượng thủy văn của 8 trạm quan trắc. Kết quả mô phỏng cung cấp dữ liệu chính xác về trữ lượng dòng chảy năm và lưu lượng kiệt tại các tiểu lưu vực, làm thông số đầu vào cho các điều kiện ràng buộc của bài toán quy hoạch tuyến tính.

Luận văn xử lý bài toán phân bổ nguồn nước vào tháng kiệt nhất như thế nào?
Trong tháng 3 - thời điểm kiệt nhất năm, mô hình thiết lập thứ tự ưu tiên tuyệt đối cho 100% nhu cầu sinh hoạt của hơn 513.000 dân và xả đủ lưu lượng dòng chảy môi trường. Lượng nước còn lại được phân bổ cho nông nghiệp, thủy sản và công nghiệp dựa trên nguyên tắc tối đa hóa hàm mục tiêu kinh tế.

Mô hình tối ưu trong luận văn có thể áp dụng cho các địa phương khác không?
Khung phương pháp luận quy hoạch tuyến tính và cách thiết lập bài toán tối ưu trên Excel Solver hoàn toàn có thể chuyển giao, nhân rộng cho các tỉnh miền núi có điều kiện tự nhiên tương đồng như Hà Giang, Lạng Sơn, Bắc Kạn để quản lý hiệu quả nguồn nước lưu vực sông liên tỉnh.

Kết luận

  • Luận văn đã ứng dụng thành công phương pháp quy hoạch tuyến tính để giải quyết bài toán phân bổ tài nguyên nước đa mục tiêu trên diện tích 6.717 km2 của tỉnh Cao Bằng.
  • Đánh giá toàn diện hiện trạng dòng chảy dựa trên chuỗi số liệu 51 năm, làm rõ mức độ bất đối xứng khi mùa lũ chiếm tới 65% - 80% lượng dòng chảy toàn năm.
  • Xác lập phương án phân bổ nguồn nước tối ưu cho các giai đoạn 2015 và 2020, nâng cao giá trị kinh tế sử dụng nước thêm hơn 12% trong tháng kiệt cao điểm.
  • Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp chiến lược bao gồm hoàn thiện thể chế quản lý, nâng cấp 47 công trình hồ đập, ứng dụng tưới tiết kiệm và mở rộng quan trắc tự động.
  • Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng, mở ra hướng đi tiên phong trong việc số hóa và tối ưu hóa quản lý tổng hợp tài nguyên nước cấp tỉnh tại Việt Nam.

Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2016 - 2020 cần hướng tới việc tích hợp mô hình vào hệ thống điều hành thời gian thực. Hãy liên hệ với các đơn vị nghiên cứu chuyên ngành để tiếp cận toàn văn công trình và ứng dụng giải pháp tối ưu hóa tài nguyên nước vào thực tiễn quản lý lưu vực sông ngay hôm nay!