Tổng quan nghiên cứu

Vu Gia - Thu Bon (VGTB) là lưu vực sông quan trọng tại khu vực Duyên hải miền Trung Việt Nam, với diện tích khoảng 10.350 km², phục vụ gần 2 triệu dân và hơn 45.000 ha đất nông nghiệp. Lưu vực này đang chịu áp lực lớn từ quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa và biến đổi khí hậu, đặc biệt là trong mùa khô khi lượng nước sông giảm mạnh, gây ra xung đột trong phân bổ nguồn nước giữa các ngành kinh tế và khu vực địa lý. Mùa khô kéo dài từ tháng 1 đến tháng 8, chiếm khoảng 30% tổng lượng mưa hàng năm, với lượng mưa thấp nhất chỉ chiếm khoảng 1% tổng lượng mưa năm tại một số trạm đo. Các công trình thủy điện và hồ chứa với hơn 72 hồ lớn cùng 820 công trình thủy lợi đã làm thay đổi chế độ dòng chảy tự nhiên, gây ra các hiện tượng ngập lụt và xâm nhập mặn nghiêm trọng ở hạ lưu.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xây dựng kế hoạch phân bổ nước tối ưu cho lưu vực VGTB, đảm bảo cân bằng giữa nhu cầu sử dụng nước của các ngành và bảo vệ môi trường sinh thái. Nghiên cứu tập trung vào giai đoạn hiện tại và dự báo trong vòng 5 năm tới, sử dụng mô hình đánh giá nguồn nước SWAT kết hợp với phương pháp lập trình tuyến tính để tối ưu hóa phân bổ nước. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ quản lý tài nguyên nước bền vững, giảm thiểu xung đột sử dụng nước và nâng cao hiệu quả kinh tế - xã hội của lưu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính: Quản lý tài nguyên nước tích hợp (IWRM) và mô hình đánh giá nguồn nước Soil and Water Assessment Tool (SWAT). IWRM nhấn mạnh việc quản lý tổng hợp các nguồn nước nhằm cân bằng lợi ích kinh tế, xã hội và môi trường. SWAT là mô hình vật lý phân vùng lưu vực, mô phỏng chu trình thủy văn, dòng chảy bề mặt, dòng chảy ngầm, vận chuyển trầm tích và các quá trình liên quan đến đất đai và sử dụng đất. Các khái niệm chính bao gồm: lưu vực sông, phân vùng tiểu lưu vực, đơn vị phản ứng thủy văn (HRU), dòng chảy bề mặt, dòng chảy ngầm và cân bằng nước.

Phương pháp lập trình tuyến tính (LP) được áp dụng để xây dựng hàm mục tiêu tối ưu hóa lợi ích kinh tế từ việc phân bổ nước cho các ngành sử dụng, đồng thời đảm bảo các ràng buộc về nguồn nước sẵn có và nhu cầu tối thiểu của từng ngành. Các ràng buộc bao gồm giới hạn về tổng lượng nước phân bổ, yêu cầu về lưu lượng tối thiểu bảo vệ môi trường và các điều kiện kỹ thuật vận hành hồ chứa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khí tượng thủy văn (lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió) thu thập từ các trạm quan trắc trong giai đoạn 1981-2010, dữ liệu địa hình số (DEM) độ phân giải 30m từ USGS, bản đồ sử dụng đất từ MODIS và bản đồ đất từ FAO. Dữ liệu dân số và nhu cầu sử dụng nước được thu thập từ các báo cáo ngành và điều tra thực tế năm 2020.

Mô hình SWAT được thiết lập và hiệu chỉnh dựa trên dữ liệu đầu vào, phân chia lưu vực thành 17 tiểu lưu vực và các HRU đồng nhất về đặc tính đất đai và sử dụng đất. Mô phỏng dòng chảy và cân bằng nước được thực hiện theo chu kỳ hàng ngày. Phương pháp lập trình tuyến tính được giải bằng công cụ Excel Solver, với cỡ mẫu dữ liệu gồm các tiểu lưu vực và các ngành sử dụng nước chính: nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt và thủy điện. Thời gian nghiên cứu tập trung vào giai đoạn hiện tại và dự báo đến năm 2025.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Nguồn nước khả dụng: Lượng nước có thể phân bổ trong lưu vực VGTB vào mùa khô dao động khoảng 301 triệu m³, chiếm khoảng 30% tổng lượng nước hàng năm. Lượng nước thấp nhất được ghi nhận vào tháng 2 và 3, với lưu lượng dòng chảy thấp nhất tại trạm Thanh Mỹ là 0,28 m³/s/km² và tại trạm Nông Sơn là 0,30 m³/s/km².

  2. Nhu cầu sử dụng nước: Tổng nhu cầu nước năm 2020 ước tính khoảng 150 triệu m³, trong đó nông nghiệp chiếm 60%, sinh hoạt 25%, công nghiệp 10% và thủy điện 5%. Nhu cầu nước cho nông nghiệp tập trung chủ yếu vào mùa khô, đặc biệt trong các tháng từ tháng 1 đến tháng 5.

  3. Phân bổ nước tối ưu: Kết quả mô hình lập trình tuyến tính cho thấy việc phân bổ nước hợp lý có thể tăng lợi ích kinh tế tổng thể lên khoảng 15% so với phân bổ hiện tại, bằng cách ưu tiên cấp nước cho các ngành có hiệu quả kinh tế cao hơn như công nghiệp và thủy điện, đồng thời đảm bảo nhu cầu tối thiểu cho nông nghiệp và sinh hoạt.

  4. Ảnh hưởng của hồ chứa: Việc vận hành hồ chứa không hợp lý làm giảm khả năng điều tiết nước, gây ra hiện tượng ngập lụt và xâm nhập mặn ở hạ lưu. Mô hình SWAT cho thấy lưu lượng dòng chảy tại hạ lưu giảm trung bình 20% trong mùa khô do việc giữ nước quá mức tại các hồ chứa.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của tình trạng thiếu nước và xung đột phân bổ là do sự gia tăng nhanh chóng nhu cầu sử dụng nước trong các ngành kinh tế, đặc biệt là công nghiệp và đô thị hóa, trong khi nguồn nước tự nhiên có giới hạn và biến động theo mùa. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô hình SWAT và LP trong nghiên cứu này cung cấp cái nhìn chi tiết hơn về phân bổ nước theo không gian và thời gian, đồng thời tích hợp các yếu tố kinh tế vào quá trình ra quyết định.

Việc sử dụng mô hình SWAT giúp mô phỏng chính xác chu trình thủy văn và đánh giá nguồn nước khả dụng, trong khi lập trình tuyến tính hỗ trợ tối ưu hóa phân bổ nước dựa trên các mục tiêu kinh tế và kỹ thuật. Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ phân bổ nước theo ngành và bản đồ tiểu lưu vực thể hiện mức độ cung cấp nước, giúp các nhà quản lý dễ dàng theo dõi và điều chỉnh chính sách.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường quản lý vận hành hồ chứa: Áp dụng quy trình vận hành hồ chứa theo nguyên tắc cân bằng giữa phát điện và điều tiết nước phục vụ sinh hoạt, nông nghiệp, hạn chế tích nước quá mức trong mùa khô. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý hồ chứa, thời gian: ngay trong 1-2 năm tới.

  2. Xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo nguồn nước: Triển khai hệ thống quan trắc tự động và dự báo lưu lượng nước để hỗ trợ ra quyết định phân bổ kịp thời, giảm thiểu rủi ro ngập lụt và thiếu nước. Chủ thể thực hiện: Sở Tài nguyên và Môi trường, thời gian: 2-3 năm.

  3. Ưu tiên phân bổ nước cho các ngành có hiệu quả kinh tế cao: Điều chỉnh cơ chế phân bổ nước theo mô hình tối ưu, tăng tỷ trọng cấp nước cho công nghiệp và thủy điện, đồng thời đảm bảo nhu cầu tối thiểu cho nông nghiệp và sinh hoạt. Chủ thể thực hiện: UBND tỉnh, các ngành liên quan, thời gian: 3-5 năm.

  4. Nâng cao nhận thức và tham gia của cộng đồng: Tổ chức các chương trình đào tạo, tuyên truyền về sử dụng nước tiết kiệm và hiệu quả, đồng thời tăng cường vai trò của cộng đồng trong quản lý nguồn nước. Chủ thể thực hiện: Các tổ chức xã hội, chính quyền địa phương, thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà quản lý tài nguyên nước: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách phân bổ nước hợp lý, nâng cao hiệu quả quản lý lưu vực sông.

  2. Các nhà nghiên cứu và học viên: Tham khảo phương pháp ứng dụng mô hình SWAT kết hợp lập trình tuyến tính trong quản lý tài nguyên nước và phát triển các nghiên cứu tiếp theo.

  3. Doanh nghiệp và ngành công nghiệp: Hiểu rõ về cơ chế phân bổ nước và các yếu tố ảnh hưởng để điều chỉnh kế hoạch sản xuất phù hợp với nguồn nước sẵn có.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức xã hội: Nắm bắt thông tin về tình trạng nguồn nước và các giải pháp quản lý nhằm tham gia tích cực vào bảo vệ và sử dụng nước bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình SWAT là gì và tại sao được sử dụng trong nghiên cứu này?
    SWAT là mô hình vật lý phân vùng lưu vực, mô phỏng chu trình thủy văn và các quá trình liên quan đến đất đai. Nó được sử dụng vì khả năng mô phỏng chi tiết dòng chảy và cân bằng nước trong lưu vực rộng lớn, giúp đánh giá chính xác nguồn nước khả dụng.

  2. Lập trình tuyến tính giúp gì trong phân bổ nước?
    Lập trình tuyến tính giúp xây dựng hàm mục tiêu tối ưu hóa lợi ích kinh tế từ việc phân bổ nước, đồng thời đảm bảo các ràng buộc kỹ thuật và nhu cầu tối thiểu, từ đó đưa ra kế hoạch phân bổ nước hiệu quả nhất.

  3. Nguồn dữ liệu chính của nghiên cứu lấy từ đâu?
    Dữ liệu khí tượng thủy văn từ các trạm quan trắc trong giai đoạn 1981-2010, dữ liệu địa hình từ USGS, bản đồ sử dụng đất từ MODIS, bản đồ đất từ FAO, cùng số liệu dân số và nhu cầu nước năm 2020 từ các báo cáo ngành.

  4. Tại sao cần ưu tiên phân bổ nước cho công nghiệp và thủy điện?
    Các ngành này có hiệu quả kinh tế cao hơn so với nông nghiệp, việc ưu tiên phân bổ giúp tăng tổng lợi ích kinh tế của lưu vực, đồng thời vẫn đảm bảo nhu cầu tối thiểu cho các ngành khác.

  5. Làm thế nào để giảm thiểu xung đột sử dụng nước trong lưu vực?
    Cần tăng cường quản lý vận hành hồ chứa, xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo, điều chỉnh cơ chế phân bổ nước dựa trên mô hình tối ưu, đồng thời nâng cao nhận thức và sự tham gia của cộng đồng trong quản lý nguồn nước.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được lượng nước khả dụng trung bình mùa khô khoảng 301 triệu m³, trong khi nhu cầu sử dụng nước năm 2020 là khoảng 150 triệu m³.
  • Mô hình SWAT kết hợp lập trình tuyến tính cho phép xây dựng kế hoạch phân bổ nước tối ưu, tăng lợi ích kinh tế tổng thể lên khoảng 15%.
  • Vấn đề vận hành hồ chứa không hợp lý là nguyên nhân chính gây ra các hiện tượng ngập lụt và xâm nhập mặn ở hạ lưu.
  • Đề xuất các giải pháp quản lý vận hành hồ chứa, xây dựng hệ thống giám sát, ưu tiên phân bổ nước cho các ngành hiệu quả và nâng cao vai trò cộng đồng.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai các giải pháp đề xuất trong vòng 1-5 năm và mở rộng nghiên cứu áp dụng cho các lưu vực khác.

Hành động ngay: Các nhà quản lý và chuyên gia tài nguyên nước nên áp dụng kết quả nghiên cứu để cải thiện hiệu quả quản lý và phân bổ nguồn nước tại lưu vực Vu Gia - Thu Bon.