Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Cả là một trong những hệ thống sông lớn và quan trọng của khu vực Bắc Trung Bộ Việt Nam, với tổng lượng dòng chảy trung bình nhiều năm khoảng 24,3 tỷ m³, trong đó phần thuộc lãnh thổ Việt Nam chiếm 76,3%. Nguồn nước mặt tại lưu vực này đang đứng trước nguy cơ suy thoái về số lượng và chất lượng do sự gia tăng nhu cầu sử dụng nước phục vụ phát triển kinh tế - xã hội. Mùa kiệt kéo dài khoảng 8 tháng, chiếm 15-20% tổng lượng nước, trong khi mùa lũ chỉ kéo dài 4 tháng nhưng chiếm tới 80-85% tổng lượng nước trung bình nhiều năm. Điều này tạo ra thách thức lớn trong việc quản lý và cấp phép khai thác tài nguyên nước mặt một cách bền vững.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng mô hình thủy văn và thủy lực MIKE 11 để tính toán dòng chảy mặt chi tiết tại các vị trí trên lưu vực sông Cả, phục vụ công tác cấp phép khai thác tài nguyên nước. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên lưu vực sông Cả, với dữ liệu thu thập từ năm 1997 đến 2020, bao gồm số liệu khí tượng, thủy văn và địa hình. Việc nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quy hoạch, phân bổ và cấp phép tài nguyên nước mặt, góp phần bảo vệ nguồn nước và phát triển kinh tế - xã hội bền vững của khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn sử dụng mô hình MIKE 11, một phần mềm mô phỏng thủy lực một chiều, được thiết kế để tính toán lưu lượng, mực nước, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát trên hệ thống sông, kênh dẫn và các công trình thủy lợi. Mô hình dựa trên hệ phương trình Saint Venant gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng, giả định dòng chảy không ổn định, chất lỏng không nén được và đồng nhất, với dòng chảy một chiều và áp suất thủy tĩnh phân bố đều.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Phương trình liên tục: bảo toàn khối lượng dòng chảy.
  • Phương trình động lượng: bảo toàn động lượng trong dòng chảy.
  • Điều kiện biên và điều kiện ban đầu: xác định mực nước và lưu lượng tại các điểm đầu và cuối đoạn sông.
  • Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Bott-Inoescu: thuật toán giải phương trình Saint Venant trong mô hình.
  • Hệ số nhám Manning: tham số thủy lực quan trọng ảnh hưởng đến vận tốc dòng chảy.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khí tượng (mưa, bốc hơi, nhiệt độ, gió), thủy văn (lưu lượng, mực nước), địa hình (bản đồ DEM), mạng lưới sông và mặt cắt sông. Dữ liệu được thu thập từ các trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Cả trong giai đoạn 1997-2020, đảm bảo tính đại diện, đồng nhất và liên tục.

Phương pháp nghiên cứu gồm các bước:

  1. Thu thập và xử lý dữ liệu: tổng hợp số liệu khí tượng, thủy văn và địa hình, xử lý để phù hợp với mô hình.
  2. Thiết lập mô hình MIKE Nam: mô hình thủy văn để mô phỏng lượng nước đến lưu vực.
  3. Thiết lập mô hình MIKE 11: mô hình thủy lực để mô phỏng dòng chảy trên mạng lưới sông, thiết lập mặt cắt, điều kiện biên và các thông số thủy lực.
  4. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình: sử dụng số liệu thực đo tại các trạm để điều chỉnh các tham số mô hình nhằm đạt độ chính xác cao.
  5. Mô phỏng dòng chảy: tính toán dòng chảy năm, dòng chảy mùa lũ, mùa kiệt, lưu lượng trung bình mùa kiệt, lưu lượng ba tháng kiệt nhất, tháng kiệt nhất và ngày kiệt nhất tại các vị trí cấp phép khai thác.
  6. Phân tích kết quả: đánh giá khả năng khai thác tài nguyên nước mặt, ảnh hưởng của các công trình khai thác đến nguồn nước và môi trường.

Cỡ mẫu dữ liệu thủy văn gồm 16 trạm thủy văn hoạt động, 40 trạm đo mưa, với thời gian quan trắc liên tục trên 20 năm. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện và độ phủ của mạng lưới trạm trên lưu vực. Phân tích số liệu sử dụng các công cụ thống kê và mô phỏng thủy lực trong phần mềm MIKE 11.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô phỏng dòng chảy năm và mùa kiệt: Mô hình MIKE 11 đã hiệu chỉnh và kiểm định thành công với sai số trung bình dưới 10% so với số liệu thực đo tại các trạm Dừa, Yên Thượng, Nam Đàn và Linh Cảm. Lưu lượng trung bình mùa kiệt tại các vị trí cấp phép dao động từ 2,9 đến 10 l/s.km², phù hợp với đặc điểm địa hình và khí hậu của từng khu vực.

  2. Lưu lượng kiệt tháng và ngày nhỏ nhất: Lưu lượng tháng kiệt nhất tại các công trình dao động trong khoảng 4,3 đến 7,4 m³/s, trong khi lưu lượng ngày kiệt nhất thấp hơn, từ 1,7 đến 4,5 m³/s. Đường duy trì lưu lượng bình quân ngày được xác định rõ, giúp đảm bảo nguồn nước tối thiểu cho các hoạt động khai thác.

  3. Ảnh hưởng của công trình khai thác đến nguồn nước: Phân tích mô phỏng cho thấy việc khai thác nước tại các công trình với lưu lượng cấp phép không vượt quá 53 m³/s sẽ không gây cạn kiệt nguồn nước trong mùa kiệt, đồng thời giảm thiểu tác động đến các đối tượng sử dụng nước khác.

  4. Phân bố dòng chảy theo mùa và khu vực: Dòng chảy năm phân bố không đồng đều, với mô đun dòng chảy trung bình năm tăng từ thượng nguồn (20 l/s.km²) đến hạ lưu (30 l/s.km²). Mùa lũ chiếm tới 80-85% tổng lượng nước, tập trung trong 4 tháng cuối năm, trong khi mùa kiệt kéo dài 8 tháng với lượng nước hạn chế.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng dòng chảy bằng mô hình MIKE 11 cho thấy độ tin cậy cao, phù hợp với các số liệu thực đo tại nhiều trạm trên lưu vực. Việc sử dụng mô hình giúp khắc phục hạn chế về số lượng trạm quan trắc và dữ liệu không đầy đủ, đồng thời cho phép tính toán dòng chảy tại các vị trí không có trạm đo đạc. So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng mô hình HEC và MIKE BASIN, mô hình MIKE 11 cung cấp kết quả chi tiết hơn về dòng chảy mặt, đặc biệt trong mùa kiệt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ biến động lưu lượng trung bình mùa kiệt, lưu lượng tháng kiệt nhất và ngày kiệt nhất tại các vị trí công trình, cũng như bảng so sánh lưu lượng tính toán và thực đo tại các trạm thủy văn. Điều này giúp minh họa rõ ràng sự phân bố dòng chảy theo thời gian và không gian, hỗ trợ công tác cấp phép khai thác nước mặt hiệu quả.

Việc xác định chính xác các đặc trưng thủy văn tại vị trí công trình là cơ sở quan trọng để đánh giá khả năng đáp ứng nguồn nước, từ đó xây dựng các phương án khai thác bền vững, tránh gây cạn kiệt và ô nhiễm nguồn nước. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước mặt trên lưu vực sông Cả, phù hợp với các quy định pháp luật hiện hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình MIKE 11 trong công tác cấp phép khai thác nước mặt: Khuyến nghị các cơ quan quản lý tài nguyên nước sử dụng mô hình MIKE 11 để tính toán dòng chảy chi tiết tại các vị trí cấp phép, đảm bảo tính chính xác và bền vững trong việc phân bổ nguồn nước. Thời gian triển khai trong vòng 1-2 năm, do các đơn vị chuyên môn thực hiện.

  2. Tăng cường mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn: Đề xuất nâng cấp, bổ sung các trạm quan trắc trên lưu vực, đặc biệt tại các vị trí chưa có trạm hoặc trạm bị hư hỏng, nhằm đảm bảo dữ liệu đầu vào đầy đủ, liên tục và chính xác cho mô hình. Chủ thể thực hiện là Bộ Tài nguyên và Môi trường phối hợp với địa phương, trong vòng 3 năm.

  3. Xây dựng quy trình vận hành hồ chứa và công trình khai thác nước: Đề xuất các chủ công trình xây dựng phương án vận hành hồ chứa, thiết bị quan trắc và giám sát khai thác nước, đảm bảo không gây ảnh hưởng tiêu cực đến nguồn nước và môi trường. Thời gian thực hiện trong 1 năm, do các chủ đầu tư phối hợp với cơ quan quản lý.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn cho cán bộ quản lý: Tổ chức các khóa đào tạo về ứng dụng mô hình thủy văn, thủy lực và công tác cấp phép khai thác nước mặt cho cán bộ quản lý tài nguyên nước tại các tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh và Thanh Hóa. Thời gian đào tạo liên tục hàng năm, do các trường đại học và viện nghiên cứu thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý tài nguyên nước: Giúp nâng cao hiệu quả công tác cấp phép khai thác nước mặt, xây dựng chính sách quản lý dựa trên dữ liệu mô phỏng chính xác, từ đó bảo vệ nguồn nước và phát triển bền vững.

  2. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành thủy văn, môi trường: Cung cấp phương pháp ứng dụng mô hình MIKE 11 trong tính toán dòng chảy mặt, làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo về quản lý tài nguyên nước.

  3. Chủ đầu tư và nhà quản lý công trình thủy lợi, thủy điện: Hỗ trợ trong việc lập hồ sơ cấp phép khai thác nước, đánh giá tác động của công trình đến nguồn nước và môi trường, từ đó xây dựng phương án vận hành hợp lý.

  4. Các tổ chức phi chính phủ và cộng đồng dân cư vùng lưu vực sông Cả: Nâng cao nhận thức về quản lý và bảo vệ tài nguyên nước, tham gia giám sát hoạt động khai thác nước mặt, góp phần bảo vệ quyền lợi và môi trường sống.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình MIKE 11 có ưu điểm gì trong tính toán dòng chảy mặt?
    Mô hình MIKE 11 cho phép mô phỏng dòng chảy một chiều trên hệ thống sông phức tạp, xử lý các điều kiện biên đa dạng và tính toán chính xác lưu lượng, mực nước tại nhiều vị trí khác nhau. Ví dụ, mô hình đã được hiệu chỉnh thành công với sai số dưới 10% so với số liệu thực đo tại lưu vực sông Cả.

  2. Dữ liệu đầu vào cần thiết để sử dụng mô hình MIKE 11 là gì?
    Cần có số liệu khí tượng (mưa, bốc hơi, nhiệt độ), thủy văn (lưu lượng, mực nước), địa hình (bản đồ DEM), mạng lưới sông và mặt cắt sông. Dữ liệu phải đảm bảo tính đại diện, đồng nhất và liên tục trong ít nhất 20 năm để mô hình hoạt động hiệu quả.

  3. Làm thế nào để đảm bảo tính chính xác của mô hình?
    Cần thực hiện hiệu chỉnh và kiểm định mô hình bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với số liệu thực đo tại các trạm thủy văn. Việc này giúp điều chỉnh các tham số thủy lực như hệ số nhám Manning, đảm bảo mô hình phản ánh đúng thực tế.

  4. Mô hình có thể áp dụng cho các lưu vực sông khác không?
    Có, mô hình MIKE 11 là công cụ phổ biến trong thủy văn học và có thể áp dụng cho nhiều lưu vực sông khác nhau, tuy nhiên cần thu thập dữ liệu phù hợp và hiệu chỉnh riêng cho từng khu vực để đạt kết quả chính xác.

  5. Ứng dụng của kết quả mô phỏng trong công tác cấp phép khai thác nước?
    Kết quả mô phỏng giúp xác định các đặc trưng dòng chảy quan trọng như lưu lượng trung bình mùa kiệt, lưu lượng ngày kiệt nhất tại vị trí công trình, từ đó đánh giá khả năng khai thác nước bền vững, tránh gây cạn kiệt nguồn nước và bảo vệ môi trường.

Kết luận

  • Ứng dụng mô hình MIKE 11 đã thành công trong việc mô phỏng dòng chảy mặt lưu vực sông Cả với độ chính xác cao, hỗ trợ công tác cấp phép khai thác tài nguyên nước.
  • Đã xác định được các đặc trưng thủy văn quan trọng như dòng chảy năm, mùa kiệt, lưu lượng kiệt tháng và ngày nhỏ nhất tại các vị trí công trình.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc quy hoạch, phân bổ và quản lý tài nguyên nước mặt một cách bền vững.
  • Đề xuất tăng cường mạng lưới quan trắc, xây dựng quy trình vận hành công trình và đào tạo cán bộ quản lý để nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước.
  • Khuyến nghị các cơ quan chức năng áp dụng mô hình MIKE 11 trong công tác cấp phép và quản lý khai thác nước mặt trên lưu vực sông Cả trong giai đoạn tiếp theo.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng mô hình trong thực tế quản lý, đồng thời cập nhật và bổ sung dữ liệu quan trắc để nâng cao độ tin cậy của mô hình. Các đơn vị quản lý và nghiên cứu được khuyến khích phối hợp chặt chẽ nhằm phát huy tối đa hiệu quả của nghiên cứu này.