Tính toán cân bằng nước lưu vực sông Lam bằng MIKE BASIN - Luận văn ThS Nguyễn Kim Ngọc Anh

Khám phá luận văn thạc sĩ của Nguyễn Kim Ngọc Anh, một công trình nghiên cứu chuyên sâu, trình bày các phân tích độc đáo và đóng góp quan trọng vào lĩnh vực

• Tác giả: Nguyễn Kim Ngọc Anh
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Trần Ngọc Anh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Thủy văn học
• Đề tài: Tính toán cân bằng nước hệ thống lưu vực sông Lam
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan cân bằng nước hệ thống sông Lam

Cân bằng nước là mối quan hệ định lượng giữa nước đến và nước đi trong một hệ thống nguồn nước. Hệ thống nguồn nước được hiểu là một tập hợp tích hợp bao gồm tài nguyên nước, hệ thống khai thác quản lý và hệ thống sử dụng nước. Lưu vực sông Lam nằm ở Bắc Trung Bộ Việt Nam, có diện tích lớn và vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế khu vực. Tính toán cân bằng nước hệ thống sông Lam giúp đánh giá tổng thể tài nguyên nước, xác định lượng nước mưa, dòng chảy và nước hồi quy. Đồng thời định lượng các dạng mất nước như bốc hơi, ngấm tầng sâu và nước cấp cho nhu cầu sử dụng. Nghiên cứu này đặt nền tảng cho việc quản lý tài nguyên nước hiệu quả, giảm thiểu rủi ro thiếu hụt nguồn nước trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp.

1.1. Khái niệm cân bằng nước hệ thống

Cân bằng nước là phương pháp nghiên cứu cổ điển nhưng luôn mang tính thời sự trong ngành thủy văn. Phương pháp này xác định mối quan hệ lượng hóa giữa các nguồn nước đầu vào và đầu ra của hệ thống. Nước đầu vào bao gồm mưa, dòng chảy đến và nước hồi quy sau sử dụng. Nước đầu ra gồm bốc hơi, ngấm xuống tầng sâu, nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp, dòng chảy ra khỏi lưu vực. Cân bằng nước hệ thống mở rộng khái niệm này, tích hợp thêm các yếu tố công trình, khả năng điều tiết và yêu cầu sử dụng nước.

1.2. Đặc điểm tự nhiên lưu vực sông Lam

Sông Lam là một trong những lưu vực sông lớn nhất Bắc Trung Bộ Việt Nam, chảy qua nhiều tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh. Lưu vực có địa hình phức tạp, từ vùng núi cao đến đồng bằng ven biển. Khí hậu nhiệt đới gió mùa với lượng mưa phân bố không đều theo mùa và không gian. Thảm phủ thực vật đa dạng ảnh hưởng đến quá trình thoát nước bề mặt và ngấm. Các yếu tố địa chất, thổ nhưỡng quyết định khả năng trữ nước ngầm. Những đặc điểm này tạo nên tính phức tạp trong tính toán cân bằng nước toàn hệ thống.

II. Phân tích vấn đề tính toán cân bằng nước sông Lam

Tính toán cân bằng nước hệ thống sông Lam đối mặt nhiều thách thức. Thứ nhất, lưu vực rộng lớn với địa hình phức tạp đòi hỏi phân vùng hợp lý. Mỗi tiểu vùng có đặc điểm thủy văn riêng biệt, cần dữ liệu quan trắc đầy đủ. Thứ hai, dữ liệu khí tượng thủy văn tại nhiều trạm còn thiếu hoặc không liên tục. Điều này ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả tính toán. Thứ ba, nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng từ nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt. Biến đổi khí hậu làm thay đổi quy luật mưa, dòng chảy truyền thống. Các phương pháp tính toán truyền thống gặp hạn chế trong việc mô phỏng toàn diện hệ thống phức tạp. Cần áp dụng mô hình toán học hiện đại để giải quyết bài toán cân bằng nước đa thành phần.

2.1. Phân vùng tính cân bằng nước

Phân vùng là bước quan trọng trong tính toán cân bằng nước hệ thống sông Lam. Nguyên tắc phân vùng dựa trên đặc điểm tự nhiên, ranh giới hành chính và mạng lưới thủy văn. Mỗi tiểu vùng được xác định bởi diện tích, độ dốc, loại đất và thảm phủ thực vật. Việc phân vùng giúp thu nhỏ phạm vi tính toán, tăng độ chính xác kết quả. Các trạm thủy văn nằm trong hoặc gần tiểu vùng được chọn làm điểm kiểm chứng. Quá trình phân vùng cần đảm bảo tính liên tục và đầy đủ của dữ liệu đầu vào cho từng khu vực tính toán.

2.2. Dữ liệu đầu vào và giới hạn tính toán

Dữ liệu đầu vào cho mô hình bao gồm bản đồ lưu vực số hóa dạng DEM hoặc bitmap. Các chuỗi số liệu theo thời gian gồm dữ liệu trạng thái và dữ liệu thông lượng. Dữ liệu trạng thái là giá trị chính xác tại mốc thời gian như mực nước. Dữ liệu thông lượng là giá trị trung bình trong khoảng thời gian như lưu lượng. Giới hạn chính là thiếu số liệu tại một số trạm, đặc biệt vùng thượng lưu. Chuỗi dữ liệu ngắn hạn ảnh hưởng đến hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Cần bổ sung dữ liệu từ nhiều nguồn để đảm bảo tính đại diện.

III. Phương pháp MIKE BASIN tính toán cân bằng nước

MIKE BASIN là phần mềm mô hình hóa nguồn nước do Viện Thủy lực Đan Mạch phát triển. Mô hình sử dụng cấu trúc mạng nút và cung để biểu diễn hệ thống nguồn nước. Các nút đại diện cho yếu tố quan trọng như hồ chứa, điểm lấy nước, điểm xả nước. Các cung kết nối nút thể hiện dòng chảy trong hệ thống sông ngòi. MIKE BASIN tích hợp mô đun mưa dòng chảy NAM để chuyển đổi mưa thành dòng chảy. Mô đun này dựa trên mô hình khái niệm, phân chia lưu vực thành các vùng trữ nước. Quá trình tính toán cân bằng nước tại mỗi nút dựa trên nguyên lý bảo toàn khối lượng nước. Mô hình cho phép mô phỏng nhiều kịch bản khai thác và sử dụng nước khác nhau. Kết quả đầu ra là lượng nước đến, lượng nước thiếu tại các nút cân bằng.

3.1. Cấu trúc và nguyên lý mô hình MIKE BASIN

Cấu trúc MIKE BASIN gồm nhiều loại nút chức năng khác nhau. Nút chuyển nước lấy nước ra khỏi hệ thống để cung cấp nhu cầu tưới hoặc sử dụng. Nút tưới phục vụ nông nghiệp, nút cung cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp. Nút hồ chứa điều tiết dòng chảy theo mùa. Nút thủy điện đặt tại vị trí nhà máy phát điện. Nguyên lý hoạt động dựa trên phương trình cân bằng khối lượng nước tại mỗi nút. Nước đầu vào trừ nước đầu ra bằng biến thiên trữ lượng. Quá trình lặp tính toán diễn ra liên tục cho toàn bộ thời gian mô phỏng.

3.2. Mô đun NAM và quy trình tính toán

Mô đun NAM là thành phần quan trọng của MIKE BASIN, chuyển đổi dữ liệu mưa thành dòng chảy. NAM sử dụng mô hình khái niệm với bốn tầng trữ nước gồm tuyết, bề mặt, lớp đất và đáy. Mỗi tầng có phương trình cân bằng nước riêng biệt. Dữ liệu đầu vào gồm mưa, nhiệt độ, hơi nước bốc hơi tiềm năng. Quy trình tính toán bắt đầu từ hiệu chỉnh mô hình bằng số liệu quan trắc thực tế. Tiếp theo là kiểm định mô hình trên giai đoạn độc lập. Cuối cùng chạy mô hình cho các kịch bản khác nhau. Dữ liệu đầu ra dạng file dfs0 có thể xuất thành video hoặc bảng biểu.

IV. Kết luận và ứng dụng cân bằng nước sông Lam

Nghiên cứu tính toán cân bằng nước hệ thống sông Lam bằng mô hình MIKE BASIN đạt được nhiều kết quả quan trọng. Mô hình mô phỏng tốt quá trình phân bố dòng chảy trong lưu vực theo thời gian và không gian. Kết quả cho thấy khả năng cung cấp nước tại các tiểu vùng khác nhau, xác định thời điểm và khu vực thiếu hụt nước. Phương pháp phân vùng tính toán phù hợp với đặc điểm tự nhiên và kinh tế xã hội lưu vực. Mô hình MIKE BASIN là công cụ hiệu quả cho quản lý tài nguyên nước tổng hợp. Ứng dụng thực tiễn bao gồm quy hoạch khai thác nguồn nước, đánh giá tác động biến đổi khí hậu. Kết quả nghiên cứu hỗ trợ ra quyết định trong phát triển bền vững lưu vực sông Lam.

4.1. Kết quả đạt được từ nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng thành công mô hình MIKE BASIN cho lưu vực sông Lam. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định bằng số liệu quan trắc tại các trạm thủy văn. Sai số tính toán nằm trong giới hạn chấp nhận được theo tiêu chuẩn mô hình hóa thủy văn. Kết quả xác định được cân bằng nước theo mùa tại từng tiểu vùng trong lưu vực. Mùa mưa thừa nước, mùa kiệt thiếu hụt tại nhiều khu vực. Nhu cầu sử dụng nước nông nghiệp chiếm tỷ trọng lớn nhất trong tổng nhu cầu. Hồ chứa đóng vai trò quan trọng trong điều tiết dòng chảy mùa kiệt.

4.2. Ứng dụng và hướng phát triển

Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong quy hoạch tài nguyên nước lưu vực sông Lam. Mô hình hỗ trợ đánh giá kịch bản khai thác nước phục vụ phát triển kinh tế xã hội. Việc tích hợp dữ liệu biến đổi khí hậu giúp dự báo xu hướng thay đổi tài nguyên nước tương lai. Hướng phát triển gồm mở rộng mô hình cho toàn vùng Bắc Trung Bộ. Tích hợp thêm mô đun chất lượng nước để đánh giá ô nhiễm nguồn nước. Nâng cấp cơ sở dữ liệu tự động cập nhật từ hệ thống quan trắc trực tuyến. Áp dụng trí tuệ nhân tạo hỗ trợ dự báo và ra quyết định quản lý.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 - TỔNG QUAN LƯU VỰC SÔNG LAM 1. Đặc điểm địa lý tự nhiên 1.1 Vị trí điạ lý Lưu vực sông Lam là lưu vực lớn thứ hai thuộc vùng Bắc Trung bộ bắt nguồn từ vùng rừng núi của nước Cộng hòa dân chủ nhân dân Lào. Toàn bộ lưu vực sông Lam nằm trên toạ độ địa lý từ: 18015' đến 20010'30'' vĩ độ Bắc, 103045'20'' đến 105015'20'' kinh độ Đông. Bản đồ lưu vực sông Lam 9 Điểm đầu của lưu vực nằm ở toạ độ 20010'30'' độ vĩ Bắc; 103045'20'' kinh độ Đông.

Cửa ra của lưu vực nằm ở toạ độ 18045’27” độ vĩ Bắc; 105046’40” kinh độ Đông. Phía Bắc giáp lưu vực sông Chu, sông Bạng, phía Tây giáp lưu vực sông Mêkông, phía Nam giáp lưu vực sông Gianh, phía Đông giáp huyện Quỳnh Lưu, Yên Thành tỉnh Nghệ An, huyện Can Lộc,Thạch Hà tỉnh Hà Tĩnh và biển Đông (hình 1). Sông Lam có tổng chiều dài là 531 km với tổng diện tích lưu vực là 27.200 km2, phần chảy trên đất Việt Nam là 361 km, diện tích trên lãnh thổ Việt Nam là 17.730 km2 bao trùm phần lớn địa phận tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh và một phần huyện Như Xuân tỉnh Thanh Hoá.2 Đặc điểm địa hình Lưu vực sông Lam có các dạng địa hình chính sau: a) Địa hình đồng bằng và ven biển Đồng bằng sông Lam nằm dọc hai bên bờ sông tính từ phần trung lưu của sông trở xuống, địa hình đồng bằng sông Lam theo dạng lòng máng, sát mép sông cao độ cao dần đến vùng đáy máng trũng và sau đó sát với sườn đồi, điển hình của dạng địa hình này là vùng hữu Thanh Chương. Đồng bằng sông Lam thuộc loại nhỏ, hẹp và nằm sát với dòng chính vì vậy địa hình này được xác định là vùng chứa lũ khi mực nước sông Lam vượt báo động III.

Tổng diện tích mặt bằng vùng đồng bằng khoảng 350.000 ha chiếm 10% diện tích lưu vực sông Lam và khu hưởng lợi.[1] b) Địa hình vùng đồi trung du Trung du lưu vực sông Lam có dạng địa hình phức tạp, dạng đồi bát úp và đồi cao xen kẽ các thung lũng thấp, dạng địa hình này bị chia cắt mạnh có thể dốc nhiều chiều do các sông nhỏ tạo nên. Ven các sông Hiếu, sông Dinh, sông Lam, sông Ngàn Sâu, Ngàn Phố địa hình tương đối bằng phẳng và có thế dốc chính vào các lòng sông, càng xa sông địa hình càng phức tạp. Dạng địa hình này ít khi ngập úng và ít bị lũ đe dọa nhưng lại thường xuyên thiếu nước cho cây trồng. [1] 10 c) Địa hình vùng núi cao Địa hình vùng núi cao tập trung ở phía Tây, Tây Bắc và Tây Nam lưu vực.Có độ cao từ 12000÷15000 m và có độ dốc lớn, thung lũng hẹp, chiếm tới 60% diện tích lưu vực nhưng diện tích đất canh tác chỉ chiếm 1,5÷2% tổng diện tích mặt bằng.

Đây là vùng đất được xác định chủ yếu là vùng lâm nghiệp phòng hộ đầu nguồn và là vùng dự trữ cung cấp nước chủ yếu cho sông Lam về mùa kiệt, cắt lũ cho hạ du.3 Đặc điểm địa chất thổ nhưỡng a) Đặc điểm địa chất Theo tài liệu của Cục địa chất Việt Nam, bản đồ địa chất và khoáng sản Việt Nam tỷ lệ 1/200.000 địa chất và khoáng sản Vinh (GEOLOGY AND MINERAL RESOURCES OF VINH SHEET). Trong vùng nghiên cứu xuất lộ gần như đầy đủ địa tầng địa chất có tuổi từ cổ đến trẻ. Toàn bộ lưu vực sông Lam thuộc hai đới kiến tạo chính là đới kiến tạo sông Lam và đới oằn võng Sầm Nưa, ngoài ra còn có đới nâng Phu Hoạt. Trong đó: - Phía Bắc vùng nghiên cứu thuộc đới nâng Phu Hoạt.

- Từ Nghĩa Đàn trở xuống gần dòng chính sông Lam thuộc đới oằn võng Sầm Nưa. - Phần còn lại là thuộc đới kiến tạo sông Lam. Phương cấu tạo của các đới kiến tạo nhìn chung đều phát triển theo hướng Tây Bắc - Đông Nam, có một phần nhỏ chuyển hướng Đông Bắc - Tây Nam (dưới Nghĩa Đàn). Các hệ thống đứt gãy trong vùng bao gồm: - Đứt gãy sâu sông Lam kéo dài theo hướng Tây Bắc - Đông Nam, đứt gãy này có liên quan đến sự hình thành địa bào Neogen.

- Đứt gãy sâu Rào Nậy kéo dài hơn 100 km theo hướng Tây Bắc - Đông Nam, góc dốc 80° đổ về Tây Nam, sâu 32 km. - Đứt gãy Sầm Nưa chạy theo hướng Đông Bắc- Tây Nam bị chặn bởi đứt gãy sông Lam. 11 - Đứt gãy Quỳ Châu - sông Hiếu. Các hệ thống đứt gãy trên đây có liên quan đến đặc điểm địa chất công trình, địa chất thủy văn và là tiền đề cho sự phát triển của các dòng sông lớn nhỏ trong vùng.

Về địa chất thủy văn, nước dưới đất trong vùng nghiên cứu có nhiều hạn chế, không phong phú. Vấn đề này được giải thích trên cơ sở cấu tạo địa chất, đặc điểm địa mạo, điều kiện khí tượng thủy văn. Trên toàn vùng nghiên cứu nhận thấy: Các đất đá có khả năng chứa nước chiếm một khối lượng không lớn so với các loại đất đá thấm nước kém và chứa nước kém. Mặt khác do địa hình vùng nghiên cứu bị phân cắt mạnh, sườn núi dốc, độ dốc lòng sông, suối lớn làm cho nước không có điều kiện tích tụ lại mà thoát nhanh ra các hệ thống sông suối lớn.

Chất lượng nước dưới đất của vùng thuộc loại nước siêu nhạt, nước mềm (có độ pH=6). Nói chung chất lượng nước tốt, đảm bảo cho ăn uống, sinh hoạt và có thể khai thác nước ngầm để tưới. Về khoáng sản, lưu vực sông Lam có cấu tạo địa chất rất phức tạp, các nham thạch có mặt đầy đủ các lớp tuổi từ cổ đến trẻ, tiếp theo là những hoạt động kiến tạo đã làm thay đổi các cơ cấu kiến trúc của nham thạch trong đó có mặt của các thành phần sa khoáng khác nhau. Nhìn chung trong toàn vùng gặp rất nhiều loại sa khoáng từ đơn giản đến phức tạp, từ nham thạch rẻ tiền như vật liệu xây dựng cho đến những khoáng sản quý như vàng, rubi.

Các mỏ khoáng sản có giá trị như thiếc (Quỳ Hợp), sắt (Thạch Khê), rubi (Quỳ Châu), vàng gặp nhiều ở các thung lũng suối lớn. Tài nguyên khoáng trong vùng là một thế mạnh để tạo điều kiện cho việc phát triển kinh tế xã hội trong giai đoạn hiện tại và trong tương lai lâu dài. [1] b) Đặc điểm thổ nhưỡng Đất đai là sản phẩm của đá mẹ, khí hậu và thảm thực vật. Chất lượng của đất đai (hóa tính và lý tính) có ảnh hưởng quyết định đến sự sinh trưởng và phát triển của các loại cây trồng.

Dựa vào những chỉ tiêu chuyên môn của ngành thổ nhưỡng, qua khảo sát, thí nghiệm các mẫu đất, Bộ Nông nghiệp đã tiến hành thiết lập bản đồ thổ nhưỡng ở lưu vực sông Lam. Các loại đất chính ở vùng lưu vực là: 12 - Đất phù sa và đất cát ven biển. - Đất bùn lầy. - Đất Feralitic mùn vàng nhạt trên núi.

- Đất Feralitic trên núi. - Đất Feralitic điển hình nhiệt đới ẩm vùng đồi. - Đất Macgalit Feralitic. - Đất lúa nước vùng đồi.

Vùng đồng bằng sông Lam có các loại đất chủ yếu là đất phù sa và đất cát ven biển, đất bùn lầy, đất mặn và đất Feralitic điển hình nhiệt đới ẩm vùng đồi. Đất đai vùng trung du khá đa dạng: Các loại đất chua, đất glay hoặc glay mạnh úng nước. Ở vùng đồi chuyển tiếp từ đồng bằng lên núi, loại đất chủ yếu là Feralitic. Do phải chịu ảnh hưởng tổng hợp của các nhân tố địa lý, địa hình, khí hậu, lớp phủ bề mặt.

nên đất ở vùng đồng bằng và trung du sông Lam được xếp vào loại kém màu mỡ.4 Thảm phủ thực vật Lưu vực sông Lam có rừng tập trung chủ yếu thuộc lãnh thổ bên Lào, 6 huyện miền núi Nghệ An và hai huyện Hương Sơn, Hương Khê thuộc Hà Tĩnh. Phần đầu nguồn bên Lào, do dân cư còn thưa thớt nên chưa bị chặt phá nhiều, điều này có tác động tích cực đến việc điều hòa dòng chảy phần thượng nguồn sông Lam. Trên địa phận Việt Nam, diện tích rừng bị giảm nhanh do tốc độ phát triển dân số cao ở miền núi, cùng với tập quán du canh du cư của đồng bào các dân tộc. Năm 1943 có khoảng 1,2 triệu ha rừng, đến nay diện tích rừng chiếm khoảng 35,5% diện tích tự nhiên, so với diện tích đất của các huyện miền núi và Hương Khê, Hương Sơn thì diện tích đất có rừng chiếm đến 43%.

Diện tích rừng già và rừng trung bình toàn lưu vực phần Việt Nam chỉ còn chiếm khoảng 12 ÷14%.5 Đặc điểm khí tượng thủy văn a) Khí tượng 13 Vị trí, hình thái địa hình, địa mạo, lớp phủ thực vật là những nhân tố chính quyết định chế độ khí hậu lưu vực. Các dãy núi chạy dài theo các hướng khác nhau nên những tâm mưa và vùng mưa lệch pha nhau, sự phân cách của địa hình và chế độ khí hậu đã làm cho chế độ thủy văn trên dòng chính và các phụ lưu lớn diễn ra phức tạp. ¾ Chế độ nhiệt Mùa lạnh thường từ tháng XII năm trước đến tháng III năm sau. Mùa nóng kéo dài từ tháng V đến tháng VIII, tháng VII là tháng nóng nhất.

Nhiệt độ tối đa đo được (tháng V/1966) ở Vinh là 42,7°C, nhiệt độ tối thấp đã quan trắc được ở Quỳ Châu từ -0,2°C xuống -0,5°C. Nhiệt độ không khí trung bình các tháng 2011 Đơn vị: ˚C Trạm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Con Cuông 14,2 18,3 17,6 23,8 27,1 29,3 28,4 27,8 27,1 23,7 18,4 16,9 Đô Lương 14,1 18 17,2 23,2 27 29,5 28,8 28,1 27,6 23,8 23,1 17,2 Hà Tĩnh 14,2 17,7 16,8 23 27,5 30,5 29,8 28,7 27 23,9 23,4 16,7 Hòn Ngư 13,7 16,4 15,8 21,5 25,9 29,2 28,4 27,9 27,3 23,4 18,7 16,7 Hương Khê 14,3 18,2 17,2 23,5 27,1 29,5 29,1 27,8 26,5 23,3 22,7 16,6 Hương Sơn 14,1 18,1 17 23,4 26,6 29,6 29,2 28,3 26,9 23,5 22,9 16,4 Quỳ Châu 14,1 18,2 17,5 23,6 26,6 28,2 28,0 27,5 26,4 23,5 22,2 16,5 Quỳ Hợp 14,1 18,2 17,4 23,8 27,5 29 28,3 27,9 27 23,7 22,7 16,9 Quỳnh Lưu 14,3 17,6 16,9 22,6 26,8 29,6 29,1 28,3 27,7 24 23,1 17,3 Tây Hiếu 13,9 17,9 17,1 23,4 27,3 29,1 28,4 28 27,1 23,7 22,6 16,7 Tương Dương 15 19 18,5 24,2 26,8 28,7 28 27,6 26,6 23,8 22,6 17 Vinh 14,2 17,7 16,9 23 27,5 30,6 29,7 28,6 27,2 23,9 23,3 17,1 ¾ Chế độ ẩm Độ ẩm tương đối trung bình năm của lưu vực dao động từ 80% đến 85%. Độ ẩm trung bình tháng VII đạt trị số thấp nhất vì thường có gió Lào. Độ ẩm trung bình mùa lạnh ở đồng bằng cao hơn ở vùng núi, nhưng độ ẩm tương đối trung bình tháng 14 thì ngược lại.