Tổng quan nghiên cứu
Lưu vực sông Thạch Hãn, thuộc tỉnh Quảng Trị, có diện tích khoảng 2.550 km² với chiều dài sông chính khoảng 150 km, là nguồn tài nguyên nước quan trọng cho phát triển kinh tế - xã hội vùng Bắc Trung Bộ. Lưu vực này thường xuyên chịu ảnh hưởng của lũ lụt, xói lở bờ sông và hiện tượng xâm nhập mặn, gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản. Ví dụ, trận lũ năm 1999 đã làm 56 người chết, hơn 661 km đường giao thông bị ảnh hưởng, gần 9.000 ha lúa bị thiệt hại và nhiều công trình thủy lợi bị phá hủy. Mặc dù tài nguyên nước phong phú, việc quản lý và sử dụng hợp lý vẫn còn nhiều hạn chế, chưa có biện pháp quản lý tổng hợp lưu vực theo hướng đa ngành.
Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng công cụ khoa học phục vụ quản lý tổng hợp và sử dụng hợp lý tài nguyên nước lưu vực sông Thạch Hãn, đồng thời đề xuất các giải pháp phát triển bền vững. Nghiên cứu tập trung vào giai đoạn hiện trạng năm 2007 và dự báo đến năm 2020, nhằm đánh giá cân bằng nước, nhu cầu sử dụng nước các ngành kinh tế và mô phỏng thủy lực lưu vực. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ ra quyết định quản lý tài nguyên nước, giảm thiểu rủi ro thiên tai và phát triển kinh tế xã hội bền vững tại địa phương.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Nghiên cứu dựa trên lý thuyết quản lý tổng hợp tài nguyên nước (IWRM) với các nguyên tắc phát triển bền vững, bảo vệ môi trường và phối hợp đa ngành trong lưu vực sông. Khung lý thuyết bao gồm:
- Lý thuyết cân bằng nước: Phương trình cân bằng nước tổng quát được sử dụng để mô tả sự biến đổi lượng nước trong lưu vực, bao gồm lượng nước mưa, dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm, bốc hơi và các yếu tố nhân tạo như khai thác, điều tiết.
- Mô hình toán thủy văn và thủy lực: Ứng dụng mô hình NAM (mưa-rào - dòng chảy), MIKE BASIN (mô hình mạng lưới sông tích hợp GIS) và MIKE 11 (mô hình thủy lực 1 chiều) để mô phỏng dòng chảy, cân bằng nước và thủy lực lưu vực.
- Khái niệm quản lý tổng hợp lưu vực sông: Quản lý tài nguyên nước theo lưu vực sông, xem lưu vực là đơn vị quản lý cơ bản, nhằm tối ưu hóa sử dụng tài nguyên nước, bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế xã hội.
Các khái niệm chính bao gồm: cân bằng nước, dòng chảy mặt và ngầm, mô hình mưa-rào dòng chảy, mô hình thủy lực, quản lý tổng hợp lưu vực sông, phát triển bền vững tài nguyên nước.
Phương pháp nghiên cứu
- Nguồn dữ liệu: Sử dụng số liệu địa hình, khí tượng thủy văn (mưa, nhiệt độ, độ ẩm, bốc hơi), thủy văn (dòng chảy, mực nước), dữ liệu kinh tế xã hội (dân số, nhu cầu nước các ngành), bản đồ mạng lưới sông, công trình thủy lợi hiện trạng và quy hoạch.
- Phương pháp phân tích: Xử lý số liệu thủy văn bằng thống kê, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình NAM với cỡ mẫu số liệu mưa và dòng chảy từ các trạm trong và lân cận lưu vực. Phân vùng lưu vực thành 11 tiểu lưu vực để tính toán dòng chảy chi tiết.
- Phương pháp mô hình toán:
- Mô hình NAM dùng để tính toán chuỗi dòng chảy hàng ngày cho các tiểu lưu vực.
- Mô hình MIKE BASIN dùng để tính toán cân bằng nước hệ thống lưu vực, mô phỏng nhu cầu và cung cấp nước cho các ngành kinh tế.
- Mô hình MIKE 11 dùng để mô phỏng thủy lực dòng chảy, mực nước, ngập lụt và vận chuyển bùn cát trên mạng lưới sông.
- Timeline nghiên cứu: Số liệu thu thập và hiệu chỉnh mô hình cho giai đoạn 1990-1999, mô phỏng hiện trạng năm 2007 và dự báo năm 2020.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Hiệu chỉnh mô hình NAM: Bộ thông số mô hình NAM được hiệu chỉnh với hệ số Nash đạt khoảng 78-86% cho các năm lũ lớn và nhỏ, cho thấy mô hình phù hợp để tính toán dòng chảy lưu vực. Lưu lượng tính toán tại trạm Gia Vòng chênh lệch so với thực đo trong khoảng 15-35%, nằm trong giới hạn chấp nhận được.
Tính toán dòng chảy và cân bằng nước: Tổng lượng nước đến các tiểu lưu vực tăng khoảng 20-30% từ năm 2007 đến 2020 theo kịch bản biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, cân bằng nước cho thấy nhiều vùng trong lưu vực vẫn thiếu nước, đặc biệt vào mùa khô giữa năm. Tổng nhu cầu nước năm 2020 tăng khoảng 35% so với năm 2007, trong đó nhu cầu nước cho nông nghiệp chiếm trên 60%, tiếp theo là sinh hoạt, công nghiệp và thủy sản.
Mô phỏng thủy lực và ngập lụt bằng MIKE 11: Mực nước lũ năm 2020 dự báo tăng 21-22% so với năm 2007, thời gian ngập lụt kéo dài hơn khoảng 7-8 giờ. Lưu tốc dòng chảy tại các vị trí nghiên cứu như Quảng Trị, Đông Hà và Cửa Việt đều vượt ngưỡng gây xói lở, vận chuyển bùn cát mạnh, đặc biệt tại khu vực thượng lưu và hạ lưu sông Thạch Hãn. Mức độ ngập lụt và xói lở dự báo sẽ gia tăng do biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế xã hội.
Phân vùng lưu vực và nhu cầu nước: Lưu vực được phân chia thành 11 tiểu lưu vực với đặc điểm địa hình, khí hậu và sử dụng đất khác nhau. Nhu cầu nước tưới cho các loại cây trồng như lúa, ngô, mía, cà phê tăng đáng kể đến năm 2020. Nhu cầu nước sinh hoạt và chăn nuôi cũng tăng theo tốc độ dân số và phát triển đô thị.
Thảo luận kết quả
Kết quả mô hình cho thấy sự gia tăng nhu cầu nước và áp lực lên tài nguyên nước trong lưu vực sông Thạch Hãn là rõ rệt, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu làm thay đổi phân bố mưa và dòng chảy. Việc thiếu nước vào mùa khô giữa năm có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt dân cư. So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, việc ứng dụng đồng bộ các mô hình NAM, MIKE BASIN và MIKE 11 đã cung cấp cái nhìn toàn diện về quản lý tài nguyên nước lưu vực, từ lượng nước đến đến thủy lực dòng chảy và ngập lụt.
Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ dòng chảy theo thời gian, bản đồ phân vùng thiếu nước, biểu đồ mực nước dọc sông và bản đồ ngập lụt theo các kịch bản khác nhau. Các kết quả này giúp các nhà quản lý đánh giá hiệu quả các phương án sử dụng nước và đề xuất giải pháp phù hợp.
Đề xuất và khuyến nghị
Tăng cường mạng lưới quan trắc tài nguyên nước: Mở rộng và nâng cấp hệ thống trạm đo mưa, thủy văn, chất lượng nước mặt và nước ngầm để cập nhật số liệu chính xác, phục vụ hiệu quả cho mô hình và quản lý tổng hợp lưu vực. Thời gian thực hiện: 1-3 năm; Chủ thể: Sở Tài nguyên Môi trường, Tổng cục Khí tượng Thủy văn.
Phát triển và hoàn thiện hệ thống công trình thủy lợi: Đầu tư xây dựng hồ chứa nhỏ, nâng cấp hệ thống kênh mương, trạm bơm để tăng khả năng trữ nước, giảm thất thoát và điều tiết nước hợp lý, đặc biệt trong mùa khô. Thời gian: 3-5 năm; Chủ thể: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Ban Quản lý dự án thủy lợi.
Ứng dụng bộ công cụ hỗ trợ ra quyết định (DSS): Triển khai hệ thống DSS tích hợp mô hình NAM, MIKE BASIN, MIKE 11 và GIS để hỗ trợ ra quyết định quản lý tổng hợp tài nguyên nước, đánh giá kịch bản sử dụng nước và phòng chống thiên tai. Thời gian: 2 năm; Chủ thể: Viện Quy hoạch Thủy lợi, các cơ quan quản lý lưu vực.
Chính sách quản lý và bảo vệ tài nguyên nước: Xây dựng và thực thi các chính sách giá nước, quy hoạch sử dụng đất, bảo vệ rừng đầu nguồn, kiểm soát ô nhiễm nguồn nước, khuyến khích sử dụng tiết kiệm nước trong nông nghiệp và công nghiệp. Thời gian: liên tục; Chủ thể: UBND tỉnh, Sở Tài nguyên Môi trường, các ngành liên quan.
Nâng cao nhận thức và đào tạo cộng đồng: Tổ chức các chương trình giáo dục, tập huấn về quản lý tài nguyên nước, bảo vệ môi trường và sử dụng nước tiết kiệm cho người dân và cán bộ quản lý. Thời gian: liên tục; Chủ thể: Sở Giáo dục và Đào tạo, các tổ chức xã hội.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Cơ quan quản lý tài nguyên nước và thủy lợi: Hỗ trợ xây dựng chính sách, quy hoạch và quản lý tổng hợp lưu vực sông, nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên nước.
Các nhà nghiên cứu và học viên ngành thủy văn, môi trường, quản lý tài nguyên nước: Cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp và mô hình ứng dụng thực tiễn trong nghiên cứu và giảng dạy.
Các nhà hoạch định chính sách và phát triển kinh tế xã hội địa phương: Tham khảo dữ liệu và phân tích để xây dựng kế hoạch phát triển bền vững, phòng chống thiên tai và bảo vệ môi trường.
Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực thủy lợi, nông nghiệp và công nghiệp: Đánh giá nguồn nước, rủi ro thiên tai và hiệu quả đầu tư các công trình thủy lợi, hệ thống cấp nước.
Câu hỏi thường gặp
Mô hình NAM có ưu điểm gì trong tính toán dòng chảy lưu vực?
Mô hình NAM cho phép mô phỏng quá trình mưa-rào chuyển thành dòng chảy với độ chính xác cao, phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa. Hiệu chỉnh mô hình với số liệu thực tế đạt hệ số Nash trên 78%, giúp dự báo dòng chảy chính xác cho các tiểu lưu vực.Tại sao cần sử dụng đồng thời các mô hình NAM, MIKE BASIN và MIKE 11?
Mỗi mô hình có chức năng riêng: NAM tính toán dòng chảy từ mưa, MIKE BASIN mô phỏng cân bằng nước và nhu cầu sử dụng, MIKE 11 mô phỏng thủy lực dòng chảy và ngập lụt. Kết hợp giúp đánh giá toàn diện tài nguyên nước lưu vực từ lượng đến chất và tác động thủy lực.Làm thế nào để cân bằng nước lưu vực được duy trì trong điều kiện biến đổi khí hậu?
Cần xây dựng các kịch bản sử dụng nước hợp lý, tăng cường công trình điều tiết, bảo vệ rừng đầu nguồn, sử dụng tiết kiệm nước và nâng cao năng lực quản lý tổng hợp lưu vực dựa trên mô hình dự báo và DSS.Nhu cầu nước cho nông nghiệp chiếm tỷ trọng bao nhiêu trong tổng nhu cầu nước lưu vực?
Nhu cầu nước cho nông nghiệp chiếm trên 60% tổng nhu cầu nước, là ngành sử dụng nước lớn nhất trong lưu vực, do đó việc quản lý và sử dụng nước tưới hiệu quả là rất quan trọng.Bộ công cụ hỗ trợ ra quyết định (DSS) giúp gì cho quản lý tài nguyên nước?
DSS tích hợp dữ liệu GIS, mô hình thủy văn và thủy lực, cho phép mô phỏng các kịch bản sử dụng nước, đánh giá tác động và hỗ trợ ra quyết định nhanh chóng, chính xác, giúp quản lý tổng hợp lưu vực hiệu quả hơn.
Kết luận
- Luận văn đã xây dựng và hiệu chỉnh thành công bộ mô hình toán gồm NAM, MIKE BASIN và MIKE 11 để mô phỏng dòng chảy, cân bằng nước và thủy lực lưu vực sông Thạch Hãn.
- Kết quả cho thấy nhu cầu nước tăng mạnh đến năm 2020, trong khi nguồn nước mùa khô thiếu hụt nghiêm trọng, đòi hỏi quản lý và sử dụng hợp lý.
- Mô hình thủy lực dự báo mực nước lũ và ngập lụt gia tăng, cảnh báo nguy cơ xói lở và thiệt hại cho vùng hạ lưu.
- Đề xuất các giải pháp kỹ thuật, chính sách và công cụ hỗ trợ ra quyết định nhằm phát triển bền vững tài nguyên nước lưu vực.
- Tiếp tục thu thập số liệu, hoàn thiện mô hình và triển khai DSS là bước tiếp theo cần thiết để nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước.
Call to action: Các cơ quan quản lý, nhà nghiên cứu và cộng đồng cần phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất, ứng dụng công nghệ mô hình và DSS để bảo vệ và phát triển bền vững tài nguyên nước lưu vực sông Thạch Hãn.