CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN TRONG QUY HOẠCH PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN NƯỚC 1. Tổng quan về các nghiên cứu ứng dụng mô hình toán trong quy hoạch phân bổ tài nguyên nước trên thế giới và ở Việt Nam 1. Quá trình hình thành và phát triển của các nghiên cứu về quy hoạch phân bổ tài nguyên nước Nước là nguồn tài nguyên thiết yếu cho cuộc sống của con người và sinh vật trên trái đất, thiếu nước sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của con người, làm suy giảm đến nền kinh tế, gây mất ổn định xã hội và suy thoái môi trường. Chính vì vậy, việc nghiên cứu để quản lý tài nguyên nước trên các lưu vực sông để đáp ứng nhu cầu của các ngành kinh tế đảm bảo cho việc phát triển bền vững là vấn đề luôn được các Chính phủ, các nhà khoa học quan tâm.
Việc nghiên cứu cân bằng nước có ý nghĩa rất lớn cả về khoa học và thực tiễn. Từ góc độ khoa học, phương trình cân bằng nước cho phép ta cắt nghĩa nguyên nhân, các hiện tượng, chế độ thủy văn của một khu vực xác định, đánh giá các số hạng trong cán cân nước và mối quan hệ tương tác giữa chúng. Trong thực tiễn, nghiên cứu cân bằng nước cho phép định lượng đầy đủ và chính xác tài nguyên nước để tìm ra phương thức sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên quý giá này. Các mô hình toán thường được sử dụng trong bài toán quy hoạch phân bổ tài nguyên nước 1.
Giới thiệu sơ bộ các mô hình toán đã và đang được ứng dụng hiện nay trên thế giới Trên thế giới việc sử dụng mô hình toán như các mô hình mưa - dòng chảy và các mô hình cân bằng hệ thống để hỗ trợ việc nghiên cứu xây dựng phân bổ tài nguyên nước đã có nhiều thành công nhất định. Một số ví dụ về việc đó là: - Mô hình IQQM (Intergrated Quantity and Quality Model) Do Australia xây dựng và phát triển, mô hình đã được ứng dụng cho một số lưu vực sông lớn tại Queenland ( Australia) và gần đây đã được đưa vào ứng dụng cho lưu vực sông MeKong. Đây là mô hình mô phỏng sử dụng nước lưu vực nhằm đánh giá các tác động của chính sách quản lý tài nguyên nước đối với người sử dụng nước. Mô hình IQQM hoạt động trên cơ sở phương trình liên tục, mô phỏng diễn biến hệ thống sông ngòi, kể cả chất lượng nước.
- Hệ thống mô hình GIBSI Được áp dụng cho các lưu vực ở Canada có hệ sinh thái và tình hình phát triển công nghiệp, nông nghiệp, đô thị phức tạp. GIBSI là một hệ thống mô hình tổng hợp chạy trên máy PC cho các kết quả kiểm tra tác động của nông nghiệp, công nghiệp, Trang 5 quản lý nước cả về lượng và chất đến tài nguyên nước. Mô hình GIBSI cho khả năng dự báo các tác động của công nghiêp, rừng, đô thị, các dự án nông nghiệp đối với môi trường tự nhiên, có tác dụng cảnh báo các hộ dùng nước biết trước và tôn trọng các tiêu chuẩn về số lượng, chất lượng nguồn nước dùng. - Mô hình BASINS Được xây dựng bởi Cơ quan Bảo vệ môi trường (Hoa Kỳ).
Mô hình được xây dựng để đưa ra một công cụ đánh giá tốt hơn và tổng hợp hơn các nguồn phát thải tập trung và không tập trung trong công tác quản lý chất lượng nước trên lưu vực. Đây là một mô hình hệ thống phân tích môi trường đa mục tiêu, có khả năng ứng dụng cho một quốc gia, một vùng để thực hiện các nghiên cứu về nước bao gồm cả lượng và chất trên lưu vực. Mô hình được xây dựng để đáp ứng 3 mục tiêu: (1) Thuận tiện trong công tác kiểm soát thông tin môi trường; (2) Hỗ trợ công tác phân tích hệ thống môi trường; (3) Cung cấp hệ thống các phương án quản lý lưu vực. Mô hình BASINS là một công cụ hữu ích trong công tác nghiên cứu về chất và lượng nước.
Với nhiều mô đun thành phần trong hệ thống, thời gian tính toán được rút ngắn hơn, nhiều vấn đề được giải quyết hơn và các thông tin được quản lý hiệu quả hơn trong mô hình. Với việc sử dụng GIS, mô hình BASINS thuận tiện hơn trong việc biểu thị và tổ hợp các thông tin (sử dụng đất, lưu lượng các nguồn thải, lượng nước hồi quy,.) tại bất kỳ một vị trí nào. Mô hình BASINS được sử dụng rộng rãi ở Mỹ, nó thuận tiện trong việc lưu trữ và phân tích các thông tin môi trường, và có thể sử dụng như là một công cụ hỗ trợ ra quyết định trong quá trình xây dựng khung quản lý lưu vực. - Mô hình MITSIM Mô hình MITSIM do viện kỹ thuật Massachusets xây dựng năm 1977-1978.
Đây là mô hình mô phỏng một công cụ để đánh giá, định hướng quy hoạch và quản lý lưu vực sông. Mục đích của mô hình là đánh giá về mặt thuỷ văn và kinh tế của các phương án khai thác nước mặt. Đặc biệt mô hình có thể đánh giá những tác động của các phương án khai thác của hệ thống tưới, hồ chứa, nhà máy thủy điện, cấp nước sinh hoạt và công nghiệp tại nhiều vị trí khác nhau theo trình tự thực hiện trong phạm vi lưu vực. Mô hình có thể đánh giá tác động về mặt kinh tế đối với việc khai thác tài nguyên nước thông qua các chỉ tiêu kinh tế.
Mô hình cũng cho biết hiệu ích đầu tư khai thác cho từng lưu vực nhỏ trong lưu vực lớn cũng như các công trình trong khai thác tài nguyên nước. Vai trò quan trọng nhất của mô hình là đánh giá các phương án khai thác tài nguyên nước trong lưu vực sông. Thực tế cho thấy, hoạt động của các công trình thuỷ lợi có thể biểu diễn dưới hàm phi tuyến, vì vậy khó có thể dùng các mô hình tổi ưu để tìm kết quả hoạt động của hệ thống. Đầu vào của mô hình là các số liệu thủy văn và nhu cầu nước, thông qua vận hành các hệ thống công trình sẽ cho kết quả tương ứng.
Trang 6 Kết quả nghiên cứu theo mô hình có thể đáp ứng những vấn đề sau: - Thực hiện nhiều phương án khai thác tài nguyên nước trong thời gian ngắn. - Cân đối và lựa chọn các phương án khai thác với các mục tiêu khác nhau: phát điện, cấp nước tưới, sinh hoạt. - Lựa chọn các quy tắc điều phối hồ chứa - Lựa chọn các biện pháp khai thác nguồn nước - Lựa chọn quy mô khu tưới có lợi Mô hình MITSIM có hạn chế là bộ nhớ chỉ mô tả được 100 nút, 35 nút hồ chứa, 20 nút khu tưới trong đó không có nút phân lưu. Tổ chức cập nhật số liệu còn cứng nhắc vì vào trực tiếp trên file theo format định sẵn.
Chưa sử dụng menu vào điều hành chương trình, chưa áp dụng kỹ thuật đồ hoạ vào lập trình để có thể kết xuất dưới dạng hình vẽ. Mô hình mô phỏng quá trình tính toán kinh tế cho một hệ thống sông hoàn hảo ở Việt Nam khó thu thập tài liệu đủ nên thường bỏ qua phần này. - Mô hình WUS Mô hình WUS là mô hình cân bằng nước tương tự như mô hình MITSIM đã được ứng dụng cho một số lưu vực sông ở Trung Bộ và Tây Nguyên như sông Srepok, sông Kone và thu được một số kết quả khá phù hợp. Ưu điểm của mô hình là đơn giản, dễ sử dụng.
Tuy nhiên do mô hình WUS không cho kết quả tính toán kinh tế nên khó so sánh quyết định các phương án. - Mô hình RIBASIM Mô hình này đã được ứng dụng ở một số nơi như Indonesia, ở Việt nam được áp dụng tính toán cho sông Hồng, mô hình không tính toán kinh tế nên khó lựa chọn phương án tính toán. - Mô hình MIKE BASIN Mô hình MIKE BASIN là sự trình bày toán học về lưu vực sông bao gồm đặc tính cấu trúc của sông chính và sông nhánh, thuỷ văn của lưu vực về mặt thời gian và không gian, các công trình hiện có cũng như các công trình tiềm năng trong tương lai và nhu cầu nước khác nhau trên cùng một lưu vực. Mike Basin được cấu trúc như là một mô hình mạng sông trong đó sông và các nhánh chính được hiện thị bằng một mạng lưới các nhánh và nút.
Nhánh sông biểu diễn cho các dòng chảy riêng lẻ trong khi đó các nút thì biểu diễn các điểm tụ hội của sông, điểm chuyển dòng hoặc vị trí mà ở đó có diễn ra các hoạt động liên quan đến nước hay các vị trí quan trọng mà kết quả mô hình yêu cầu. Tóm lại, việc nghiên cứu phân bổ tài nguyên nước trên thế giới được tiến hành khá sớm và đa dạng, trong đó các mô hình toán được xem là những công cụ Trang 7 hỗ trợ đắc lực, góp phần không nhỏ vào thành tựu của các nghiên cứu này trong thực tế. - Mô hình WEAP WEAP (Water Evaluation And Planning System - hệ thống quản lý và đánh giá nguồn nước) là sản phẩm của Viện nghiên cứu môi trường Stockholm cơ sở ở Boston nghiên cứu và phát triển. Phần mềm này có khả năng mô phỏng được hệ thống tài nguyên nước trong lưu vực một cách trực quan.
Bằng việc đưa ra rất nhiều kịch bản về việc sử dụng nước trong tương lai cùng các định hướng giải quyết các vấn đề về tài nguyên nước, WEAP là một công cụ đắc lực cho công việc quy hoạch và quản lý tài nguyên nước. Tính đến thời điểm hiện tại, liên quan đến việc ứng dụng mô hình WEAP ở các nước trên thế giới có khoảng hơn 30 dự án đánh giá nước ở các quốc gia trên hầu hết các châu lục bao gồm Mỹ, Trung Quốc, Thái Lan, Ấn Độ, Mexico, Brazil, Đức, Hàn Quốc, Ghana, Kenya, Nam Phi, Ai Cập, Israel và Oman. Một số mô hình toán được ứng dụng trong quy hoạch phân bổ tài nguyên nước Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả đã tìm hiểu về một số mô hình toán đã và đang được ứng dụng trong quy hoạch phân bổ tài nguyên nước hiện nay. Giới thiệu sơ bộ về các mô hình này như sau: a.
Các mô hình mưa - dòng chảy (1) Mô hình SSARR - Tổng hợp dòng chảy và điều tiết hồ chứa. - Đặc điểm của mô hình: Xây dựng một sơ đồ hình thế cho hệ thống sông, bao gồm: + Các lưu vực bộ phận sinh dòng chảy.