Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông La, với diện tích khoảng 3.210 km² và chiều dài sông chính 135 km, là một trong những lưu vực quan trọng thuộc tỉnh Hà Tĩnh, đóng vai trò thiết yếu trong phát triển kinh tế - xã hội và an ninh quốc phòng. Tài nguyên nước trên lưu vực này phân bố không đồng đều, với mùa lũ chiếm trên 75% tổng lượng nước năm, gây ra ngập lụt, lũ quét và sạt lở đất, trong khi mùa cạn chỉ chiếm khoảng 25%, thường xuyên xảy ra hạn hán và thiếu nước. Trước thực trạng này, việc đánh giá cân bằng nước tự nhiên trên lưu vực sông La là cần thiết để quản lý và sử dụng nguồn nước hiệu quả, góp phần phát triển bền vững.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng mô hình thủy văn phân bố MIKE SHE để mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy và tính toán cân bằng nước tự nhiên cho lưu vực sông La, từ đó cung cấp cơ sở khoa học cho quy hoạch và quản lý tài nguyên nước. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên dòng chính lưu vực sông La, đặc biệt là lưu vực sông Ngàn Phố, trong giai đoạn từ năm 2000 đến 2008, với dữ liệu khí tượng, thủy văn và địa hình được thu thập và xử lý chi tiết.

Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp các số liệu cụ thể về các thành phần cân bằng nước như dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm, bốc hơi và thấm, giúp đánh giá chính xác tiềm năng nguồn nước và diễn biến thủy văn trong lưu vực. Kết quả nghiên cứu hỗ trợ các nhà quản lý trong việc xây dựng các giải pháp ứng phó với biến đổi khí hậu, hạn chế rủi ro thiên tai và phát triển kinh tế - xã hội bền vững tại khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn sử dụng mô hình thủy văn phân bố MIKE SHE, phát triển bởi Viện Thủy lực Đan Mạch, làm công cụ chính để mô phỏng các quá trình thủy văn trong lưu vực. MIKE SHE tích hợp các mô-đun vận động nước như bốc thoát hơi nước, dòng chảy tràn bề mặt, dòng chảy không bão hòa, dòng chảy ngầm và dòng chảy trong kênh, dựa trên các định luật vật lý bảo toàn khối lượng, năng lượng và động lượng.

Hai lý thuyết trọng tâm được áp dụng gồm:

  1. Phương trình Saint-Venant sóng khuếch tán dùng để mô phỏng dòng chảy tràn bề mặt và dòng chảy trong kênh, cho phép mô tả dòng chảy không ổn định trong lòng dẫn mở.

  2. Phương trình Richards để mô phỏng dòng chảy trong vùng không bão hòa, kết hợp với phương pháp sai phân hữu hạn ba chiều cho dòng chảy vùng bão hòa, giúp mô phỏng chính xác quá trình thấm và vận động nước ngầm.

Các khái niệm chính bao gồm: bốc thoát hơi nước thực tế (ET), tổn thất do thấm và bốc hơi, dòng chảy sát mặt, dòng chảy ngầm, và cân bằng nước tự nhiên. Mô hình cũng sử dụng các hàm phân phối rễ cây, chỉ số diện tích lá (LAI), và các thông số thổ nhưỡng để mô phỏng quá trình bốc hơi và thấm nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khí tượng (lượng mưa, nhiệt độ, bức xạ mặt trời), thủy văn (lưu lượng dòng chảy tại các trạm Sơn Diệm và Hòa Duyệt), địa hình (bản đồ độ cao số DEM 30x30 m), thổ nhưỡng và sử dụng đất của lưu vực sông La. Dữ liệu được thu thập trong giai đoạn 2000-2008, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy.

Phương pháp phân tích chính là mô hình toán thủy văn MIKE SHE, được thiết lập và hiệu chỉnh dựa trên số liệu thực đo tại các trạm thủy văn. Cỡ mẫu dữ liệu gồm 9 năm quan trắc liên tục, với phương pháp chọn mẫu là lấy toàn bộ dữ liệu quan trắc có sẵn để đảm bảo tính toàn diện. Quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình sử dụng các chỉ số đánh giá như sai số tuyệt đối trung bình (MAE), sai số trung bình (ME), và sai số quân phương (RMSE).

Kỹ thuật GIS được ứng dụng để xử lý và thể hiện các bản đồ địa hình, thổ nhưỡng, sử dụng đất, cũng như phân tích không gian các thành phần cân bằng nước. Timeline nghiên cứu bao gồm: thu thập và xử lý dữ liệu (6 tháng), thiết lập và hiệu chỉnh mô hình (8 tháng), phân tích kết quả và viết luận văn (4 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu chỉnh mô hình MIKE SHE đạt độ chính xác cao: Sai số tuyệt đối trung bình (MAE) của lưu lượng dòng chảy tại trạm Sơn Diệm và Hòa Duyệt lần lượt là khoảng 5,2 mm và 4,8 mm, sai số quân phương (RMSE) dưới 10%, cho thấy mô hình mô phỏng dòng chảy mặt và ngầm phù hợp với số liệu thực tế.

  2. Phân bố các thành phần cân bằng nước: Mùa lũ chiếm trên 75% tổng lượng nước năm, trong đó dòng chảy mặt chiếm khoảng 60%, dòng chảy ngầm chiếm 15%, còn lại là bốc hơi và thấm. Mùa cạn chiếm khoảng 25% tổng lượng nước, với dòng chảy ngầm chiếm tỷ lệ cao hơn (khoảng 30%) do hạn chế dòng chảy mặt.

  3. Biến động độ ẩm tầng rễ: Độ ẩm trong tầng rễ tại các trạm quan trắc thay đổi theo mùa, giảm mạnh trong mùa khô (tháng 6-7) xuống mức thấp hơn 20% thể tích, ảnh hưởng đến khả năng bốc hơi và sinh trưởng thực vật.

  4. Ảnh hưởng của đặc điểm thổ nhưỡng và địa hình: Các tổ hợp đất đỏ vàng chiếm 51,6% diện tích lưu vực, ảnh hưởng lớn đến khả năng thấm và giữ nước. Địa hình dốc và chia cắt mạnh làm tăng tốc độ dòng chảy tràn, dễ gây lũ quét và sạt lở.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự phân bố không đồng đều nguồn nước là do đặc điểm khí hậu gió mùa nhiệt đới, với lượng mưa lớn tập trung vào mùa hè và thu, kết hợp địa hình dốc và thổ nhưỡng đa dạng. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trước đây về lưu vực sông Cả và các lưu vực tương tự trong khu vực, đồng thời bổ sung chi tiết về dòng chảy ngầm và độ ẩm đất chưa được đề cập nhiều.

Biểu đồ các thành phần cân bằng nước theo năm và theo tiểu lưu vực thể hiện rõ sự biến động theo mùa và không gian, giúp minh họa trực quan cho các nhà quản lý. Việc mô hình hóa chi tiết các quá trình thủy văn cho phép dự báo chính xác hơn các hiện tượng thiên tai như lũ lụt và hạn hán, từ đó đề xuất các giải pháp quản lý hiệu quả.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát và thu thập dữ liệu thủy văn: Thiết lập thêm các trạm quan trắc lưu lượng và độ ẩm đất để cập nhật dữ liệu liên tục, nâng cao độ chính xác mô hình. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; chủ thể: Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Tĩnh.

  2. Phát triển hệ thống cảnh báo sớm lũ lụt và hạn hán: Ứng dụng kết quả mô hình MIKE SHE để xây dựng hệ thống cảnh báo dựa trên biến động dòng chảy và độ ẩm đất, giảm thiểu thiệt hại thiên tai. Thời gian: 2 năm; chủ thể: Ban chỉ huy phòng chống thiên tai tỉnh.

  3. Quản lý và bảo vệ rừng đầu nguồn: Tăng cường trồng rừng và bảo vệ rừng tự nhiên, đặc biệt ở vùng núi cao chiếm 80% diện tích lưu vực, nhằm cải thiện khả năng giữ nước và giảm xói mòn đất. Thời gian: liên tục; chủ thể: Ban quản lý rừng và các địa phương.

  4. Quy hoạch sử dụng đất hợp lý: Điều chỉnh quy hoạch đất nông nghiệp và phi nông nghiệp dựa trên bản đồ thổ nhưỡng và khả năng trữ nước, hạn chế phát triển ở vùng dễ ngập lụt và sạt lở. Thời gian: 3 năm; chủ thể: UBND tỉnh và các sở ngành liên quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý tài nguyên nước: Sử dụng kết quả để xây dựng chính sách quản lý nguồn nước hiệu quả, quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội bền vững.

  2. Các nhà nghiên cứu thủy văn và môi trường: Tham khảo phương pháp ứng dụng mô hình MIKE SHE trong đánh giá cân bằng nước tự nhiên, phát triển nghiên cứu chuyên sâu.

  3. Các cơ quan phòng chống thiên tai: Áp dụng mô hình để dự báo lũ lụt, hạn hán, xây dựng hệ thống cảnh báo sớm và kế hoạch ứng phó.

  4. Các nhà quy hoạch và phát triển vùng: Dựa trên phân tích địa hình, thổ nhưỡng và khí hậu để thiết kế quy hoạch sử dụng đất, phát triển nông nghiệp và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình MIKE SHE có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
    MIKE SHE là mô hình thủy văn phân bố, mô phỏng chi tiết các quá trình mưa - dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm và bốc hơi dựa trên các định luật vật lý, cho phép đánh giá cân bằng nước toàn diện và chính xác hơn so với mô hình tập trung.

  2. Dữ liệu đầu vào quan trọng nhất để chạy mô hình là gì?
    Bao gồm dữ liệu khí tượng (mưa, nhiệt độ, bức xạ), thủy văn (lưu lượng dòng chảy), địa hình (DEM), thổ nhưỡng và sử dụng đất. Độ chính xác và đầy đủ của dữ liệu ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả mô hình.

  3. Sai số mô hình được đánh giá như thế nào?
    Thông qua các chỉ số như sai số tuyệt đối trung bình (MAE), sai số trung bình (ME), và sai số quân phương (RMSE). Trong nghiên cứu này, sai số RMSE dưới 10% được coi là mô hình đạt yêu cầu.

  4. Lưu vực sông La có đặc điểm khí hậu như thế nào?
    Khí hậu nhiệt đới gió mùa, lượng mưa trung bình trên 2.000 mm/năm, phân bố không đều với mùa mưa chiếm 75-85% lượng mưa năm, mùa khô kéo dài và có nguy cơ hạn hán.

  5. Ứng dụng thực tiễn của kết quả nghiên cứu là gì?
    Hỗ trợ quản lý tài nguyên nước, quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội, phòng chống thiên tai, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững lưu vực sông La và các lưu vực tương tự.

Kết luận

  • Ứng dụng mô hình MIKE SHE đã mô phỏng thành công các quá trình thủy văn phức tạp trên lưu vực sông La, với sai số mô hình thấp, đảm bảo độ tin cậy cao.
  • Mùa lũ chiếm trên 75% tổng lượng nước năm, dòng chảy mặt chiếm phần lớn trong mùa lũ, trong khi mùa cạn dòng chảy ngầm đóng vai trò quan trọng hơn.
  • Đặc điểm địa hình dốc, thổ nhưỡng đa dạng và khí hậu gió mùa ảnh hưởng mạnh đến phân bố và biến động nguồn nước.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý, quy hoạch và phòng chống thiên tai tại lưu vực sông La.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng thu thập dữ liệu, phát triển hệ thống cảnh báo sớm và áp dụng mô hình trong quản lý tài nguyên nước thực tiễn.

Hành động ngay: Các nhà quản lý và nghiên cứu nên phối hợp triển khai các giải pháp dựa trên kết quả mô hình để bảo vệ và phát triển bền vững nguồn nước lưu vực sông La.