CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG Cân bằng nước là một chủ đề nghiên cứu quan trọng, đặc biệt trong bối cảnh thiếu nước trầm trọng cho cả mục đích sinh hoạt và nông nghiệp nhiều lưu vực sông của Việt Nam. Một số nghiên cứu đã đưa ra các tiêu chí phân vùng cân bằng nước và xác định thành phần tham gia cân bằng nước. Tuy nhiên, rất ít nỗ lực nghiên cứu để thu thập và nghiên cứu tổng hợp tất cả các yếu tố tự nhiên, con người để đưa ra các kết quả phân vùng tính toán được chính xác, phù hợp với thực tế hơn.
Phần này xem xét những thiếu sót của các nghiên cứu trước đây về phân vùng và tính toán cân bằng nước ở Việt Nam đặc biệt là lưu vực sông Nhuệ Đáy. Ngoài ra, một đánh giá về các mô hình tính toán cân bằng nước được áp dụng trong phạm vi các lưu vực sông trong và ngoài nước được thực hiện để lựa chọn được các mô hình phù hợp với điều kiện, đặc điểm tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy. Khái quát về cân bằng nước Cân bằng nước là công cụ quan trọng nhằm phân bổ nước, dự báo nhu cầu và quản lý cấp độ lưu vực sông, thường được áp dụng ở quy mô lưu vực hoặc tiểu lưu vực [80]. Ngoài ra, còn xác định được lượng thừa, thiếu nước cũng như đánh giá được khả năng điều tiết nước của lưu vực [43, 102].
Ngoài ra, cân bằng nước đóng một vai trò quan trọng trong việc định lượng và tính toán nguồn nước sẵn có cũng như dự đoán nhu cầu trong tương lai [78]. Cân bằng nước là một công cụ quan trọng để hiểu được việc tính toán lượng nước trong một hệ thống nước, lưu vực hoặc lưu vực nước cụ thể với khung thời gian cụ thể [80]. Nói cách khác, cân bằng nước thể hiện nghiên cứu về quản lý cung và cầu nước, phụ thuộc vào quy mô và tốc độ khai thác của dân số, nông nghiệp, công nghiệp và những người sử dụng nước nội bộ khác, và phụ thuộc rất nhiều vào sự biến động theo mùa và điều kiện khí hậu ở từng khu vực [99]. Cân bằng nước bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố có thể tác động đến việc sử dụng nước cho các lĩnh vực phát triển khác nhau.
Ví dụ, thay đổi sử dụng đất quy mô lớn có thể ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy của sông và sự thay đổi độ ẩm đất theo thời gian [75]. Phương pháp cân bằng nước này hỗ trợ định lượng ý nghĩa và mối quan hệ của lượng mưa/lượng mưa, lượng bốc hơi, thoát hơi nước, dòng chảy bề mặt và nước dưới 7 đất trong lưu vực [78]. Trong nghiên cứu cân bằng nước trên thế giới hiện nay có đưa ra khái niệm về “Water Budget” (ngân sách nước), trong đó không những nghiên cứu về các thành phần cân bằng nước mà có tính đến ý nghĩa về kinh tế - xã hội trong cân bằng nước. Dưới đây trình bày 1 tài liệu về “Water Budget” cụ thể như sau: Tổng ngân sách nước là một khái niệm được đưa ra trong Bộ luật Nước California (Mục 10721): “Sự tính toán tổng lượng nước dưới đất và nước mặt vào và ra khỏi lưu vực, bao gồm cả những thay đổi về lượng nước được lưu trữ”.
Tổng ngân sách nước là một bản tính toán toàn diện về tất cả các dòng vào và ra từ ba hệ thống có liên quan và tương tác lẫn nhau trong một “vùng ngân sách nước” [62] gồm (1) Hệ thống đất đai; (2) Hệ thống nước mặt; (3) Hệ thống nước dưới đất. Bên cạnh đó để tính toán cân bằng nước, trước tiên cần xác định ranh giới không gian của hệ thống thủy văn (gọi là thể tích kiểm soát) và khoảng thời gian tham chiếu [91]. Tổng quan nghiên cứu phân vùng cân bằng nước 1. Các nghiên cứu ngoài nước Lưu vực sông là phần diện tích bề mặt đất trong tự nhiên mà mọi lượng nước mưa khi rơi xuống sẽ tập trung lại và thoát vào một lối thoát thông thường hình thành sông, nhánh sông rồi đổ ra biển [109].
Còn đối với lưu vực nước dưới đất được định nghĩa là một khu vực được bao phủ bởi các vật liệu thấm có khả năng cung cấp nguồn nước dưới đất đáng kể cho giếng hoặc lưu trữ một lượng nước đáng kể [113]. Lưu vực nước dưới đất có ba chiều và bao gồm cả phạm vi bề mặt và toàn bộ vật liệu tạo ra nước ngọt dưới bề mặt. Đường phân chia nước dưới đất thường trùng với đường phân chia nước mặt và đường phân chia đó cũng thường khớp với đường thoát nước mặt trong các tầng chứa nước dạng hạt và không giới hạn, trong khi các khu vực nạp lại của tầng ngậm nước karstic và tầng chứa nước hạn chế hầu hết không trùng với các khu vực thoát nước bề mặt [121], [61], [93]. Các hệ thống Karst thường được đặc trưng bởi sự kết nối đáng kể giữa nước dưới đất và nước mặt thông qua các quá trình như tái tạo tầng chứa nước bằng cách mất các dòng suối, các mối nối đứt gãy và ống dẫn giữa nước mặt và nước dưới đất, cũng như sự đóng góp của dòng suối vào nước mặt [76], [92].
8 Trong các kế hoạch quản lý lưu vực sông, đặc điểm thủy văn sông ngòi trong lưu vực là cần thiết, có thể thu được thông qua phân tích đặc điểm hình thái lưu vực [101]. Trong một lưu vực, mạng lưới sông ngòi phải được gắn kết với địa hình, địa mạo, cấu trúc, thành tạo địa chất của lưu vực là cần thiết cho kế hoạch quản lý và thực hiện các biện pháp bảo vệ và phát triển tài nguyên nước [106]. Đối với các vấn đề thủy văn khác nhau của lưu vực liên quốc gia khi không có các trạm đo đạc thủy văn, các mô hình toán được phát triển sử dụng các dữ liệu về địa hình địa mạo của lưu vực sẽ được ứng dụng. Theo Esper Angillieri (2008) [57].
Đường chia nước trên mặt (hay còn gọi là đường phân nước mặt) là đường nối các điểm có cùng cao độ địa hình, chính là yếu tố hình thái để phân chia các lưu vực sông (Havrelock 2011) [64]. Tuy nhiên trong phạm vi một lưu vực sông bao gồm nhiều hệ sinh thái khác nhau lại được hình thành bởi những đặc trưng về khí hậu, thảm thực vật… [84]. Bởi vậy, việc phân tích các yếu tố hình thái, các đặc trưng về khí hậu, thủy văn, thảm thực vật trong một lưu vực sông đóng vai trò then chốt để phân vùng thủy văn hoặc phân vùng cân bằng nước, quy hoạch tài nguyên nước và quy hoạch phát triển lưu vực, vùng [85]. Từ đầu những năm 1990, các thông số hình thái, thủy văn, khí hậu của nhiều lưu vực khác nhau đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu bằng cách sử dụng các phương pháp truyền thống [68].
Những nghiên cứu này thường sẽ cung cấp một bản đồ về dạng cảnh quan và các điều kiện khí hậu thủy văn đối với đặc điểm riêng của từng lưu vực (lưu trữ, thoát nước), đồng thời giải thích rõ ràng về sự không đồng nhất và tính biến đổi ở nhiều quy mô thời gian và không gian [118]. Ở Trung Quốc, phân vùng thủy văn được xác định ở dạng phân vùng khí hậu thủy văn. Dưới cấp đới (cấp I) sẽ chia lãnh thổ thành 3 cấp tiếp theo: (1) Cấp I - đới thủy văn; (2) Cấp II - địa khu thủy văn, lấy độ sâu dòng chảy thường xuyên làm chỉ tiêu phân chia vùng; (3) Cấp III - Khu vực thủy văn, có thể lấy phân phối dòng chảy trong năm (các địa khu phía Nam) hoặc đặc trưng địa hình tương đối rõ nét (các địa khu phía Bắc) để phân chia vùng; (4) Cấp IV: Lấy điều kiện thủy lợi làm cơ sở để phân chia, cho đến nay cũng vẫn chưa có sơ đồ thật hoàn chỉnh. Đường phân chia nước dưới đất thường trùng với đường phân chia nước mặt và 9 đường phân chia đó cũng thường trùng với đường thoát nước mặt ở các tầng chứa nước lỗ hổng và không áp, trong khi các khu vực bổ cập của các tầng chứa nước khe nứt và có áp hầu như không trùng với các khu vực thoát nước bề mặt [121].
Đối với phạm vi của một lưc vực sông có thể phân bố nhiều loại tầng chứa nước (khe nứt, lỗ hổng, có áp, không áp) sẽ tạo nên các vùng nước dưới đất với đặc điểm nước dưới đất và chế độ dòng chảy riêng biệt. Nghiên cứu của Horton (1932) [68] đã nhấn mạnh việc xác định các tiểu lưu vực/vùng trong một lưu vực sông có liên quan chặt chẽ đến bản chất thủy văn của nó bao gồm các yếu tố: (1) yếu tố hình thái; (2) yếu tố đất; (3) Các yếu tố địa chất; (4) Yếu tố thực vật; (5) Các yếu tố khí hậu - thủy văn. Như vậy bên cạnh những yếu tố về khí hậu, thủy văn thì nhóm các yếu tố về địa chất, địa chất thủy văn cũng được xem xét tới như là những yếu tố trạng thái [83]. Trong khi khí hậu là yếu tố chủ yếu cung cấp năng lượng và nước cho tất cả các hệ sinh thái; cấu trúc địa chất cung cấp vật liệu mà từ đó các tác động của khí hậu tạo nên các loại địa hình để thiết lập các hệ sinh thái.
Zaporozec (1972) [122] cũng nhấn mạnh cơ sở để phân vùng cân bằng nước đó phải là một đơn vị địa chất thuỷ văn được phân biệt và phân định trên cơ sở các đặc điểm thạch học, địa tầng, cấu trúc và địa chất thuỷ văn. Bản đồ đới địa chất thủy văn, bản đồ đới chưa bão hòa, bản đồ đới tái tạo và bản đồ đới ảnh hưởng được kết hợp để phân vùng chế độ/động thái nước dưới đất khác nhau [123]. Từ những thập niên cuối thế kỉ 20 đến nay, tiếp cận mô hình không gian tích hợp đã được áp dụng ứng dụng công nghệ không gian địa lý (GT) đang nổi lên nhanh chóng như ảnh viễn thám, hệ thống thông tin địa lý (GIS) và hệ thống định vị toàn cầu (GPS) đã được sử dụng như một công cụ hiệu quả để khắc phục hầu hết các vấn đề trong thực hiện các công việc phân vùng thủy văn, hệ sinh thái, ĐCTV và quản lý TNN bằng phương pháp xử lý dữ liệu truyền thống [39], [103].