Tính toán cân bằng nước cho lưu vực sông Cả
20/01/2014Sự phát triển kinh tế của các tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh kéo theo gia tăng áp lực về nhu cầu nước lên nguồn nước sông Cả. Tính toán cân bằng nước nhằm đánh giá hiệu quả của phân bổ nguồn nước trên lưu vực, đảm bảo phát triển kinh tế cho các ngành dùng nước giúp cho việc quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Cả một cách tổng hợp và bền vững. Bài viết giới thiệu kết quả tính cân bằng nước toàn lưu vực bằng các mô hình MIKE NAM, IQQM và MIKE BASIN cho hiện trạng và quy hoạch phát triển 2020.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Sông Cả là lưu vực lớn ở Bắc Trung Bộ, bắt nguồn từ tỉnh Xiêng Khoảng, Lào, có tổng diện tích lưu vực là 27.200 km2, trong đó phần thuộc lãnh thổ Việt Nam có diện tích 17.730 km2, chiếm 65,2%, phần lớn thuộc 2 tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh [4]. Đây là con sông có lượng dòng chảy khá dồi dào nhưng phân bố không đều trong năm. Mùa mưa, lũ rất ác liệt, nhưng vào mùa kiệt, nguồn nước khan hiếm, mực nước xuống rất thấp ảnh hưởng lớn đến các hộ dùng nước trên lưu vực.
Việc tính cân bằng nước có ý nghĩa rất lớn trong việc đánh giá hiệu quả, của phân bổ nguồn nước trên lưu vực, đảm bảo phát triển kinh tế cho các ngành dùng nước giúp cho việc quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Cả một cách tổng hợp và bền vững.
Các dữ liệu đầu vào cho mô hình tính toán phân phối nguồn nước gồm lượng nước đến được tính toán bằng mô hình MIKE NAM và nhu cầu nước của các hộ dùng nước được tính toán bằng mô hình IQQM. Các mô hình này đều được hiệu chỉnh và kiểm định đảm bảo chất lượng đầu vào.
Hình 1. Sơ đồ tính toán cân bằng nước cho lưu vực sông Cả II. TÍNH TOÁN LƯỢNG NƯỚC ĐẾN TRÊN LƯU VỰC BẰNG MÔ HÌNH MIKE NAM Tính toán dòng chảy tại thượng lưu sông Cả bằng mô hình mưa dòng chảy MIKE NAM do DHI Đan Mạch xây dựng. Mô hình sử dụng chuỗi khí tượng, thủy văn thực đo để khôi phục dữ liệu dòng chảy từ mưa [2]. Lưu vực sông Cả được chia làm 21 tiểu vùng, kết quả tính toán lưu lượng đến trung bình tháng của từng tiểu vùng được thể hiện như bảng 1. Bảng 1. Lưu lượng đến trung bình tháng của từng tiểu vùng
Tiểu vùng | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII |
Nghi Xuân | 301 | 200 | 143 | 129 | 257 | 405 | 478 | 827 | 1540 | 1573 | 914 | 468 |
Sông Nghèn+ Nam Đức | 64,7 | 43,3 | 28,6 | 19,7 | 70,9 | 64,2 | 52,7 | 112 | 307 | 388 | 205 | 109 |
Tám xã Nam Đàn | 224 | 143 | 96,3 | 91,1 | 174 | 328 | 412 | 697 | 1214 | 1165 | 690 | 357 |
Hương Sơn | 33,5 | 24,6 | 18,4 | 15,2 | 33,2 | 30,3 | 27,5 | 46,4 | 124 | 151 | 84,0 | 49,1 |
Ngàn Trươi | 24,6 | 17,1 | 11,7 | 6,26 | 18,0 | 18,7 | 14,5 | 26,1 | 61,8 | 78,3 | 51,5 | 38,0 |
Ngàn Sâu | 12,0 | 6,84 | 4,20 | 4,46 | 20,5 | 18,3 | 14,7 | 35 | 94,5 | 124 | 56,6 | 25,7 |
Nam Hưng Nghi | 229 | 147 | 97,4 | 92,2 | 179 | 332 | 415 | 694 | 1205 | 1154 | 685 | 366 |
Văn Tràng+Anh Sơn | 200 | 135 | 86,8 | 82,0 | 166 | 291 | 369 | 611 | 1031 | 945 | 546 | 311 |
Bản Vẽ | 107 | 83,1 | 59,5 | 63,4 | 74,8 | 107 | 133 | 215 | 262 | 243 | 184 | 136 |
Nậm Mô | 36,0 | 24,8 | 17,9 | 18,4 | 42,6 | 72,2 | 109 | 165 | 214 | 173 | 93,4 | 55,2 |
Tương Dương | 130 | 93,1 | 61,6 | 66,1 | 105 | 169 | 234 | 378 | 485 | 426 | 277 | 183 |
Huổi Nguyên | 7,56 | 4,51 | 2,75 | 2,33 | 5,16 | 8,34 | 11,0 | 19,9 | 40,2 | 41,7 | 24,4 | 13,0 |
Con Cuông | 148 | 103 | 66,1 | 68,5 | 118 | 202 | 271 | 439 | 649 | 560 | 350 | 222 |
Vùng hạ sông Hiếu | 54,8 | 38,3 | 27,9 | 21,4 | 47,4 | 85,4 | 92,0 | 155 | 333 | 325 | 164 | 85,0 |
Sông Dinh- Bãi Tập | 10,9 | 7,80 | 5,54 | 4,40 | 10,0 | 18,2 | 19,3 | 32,7 | 61,8 | 56,9 | 25,3 | 15,1 |
Quế Phong+ Quỳ Châu | 32,1 | 23,1 | 16,6 | 13,2 | 29,5 | 53,6 | 56,6 | 95,8 | 181 | 166 | 74,3 | 44,4 |
Sông Chàng | 5,31 | 3,82 | 2,72 | 2,16 | 4,89 | 8,89 | 9,39 | 15,93 | 30,1 | 27,7 | 12,3 | 7,36 |
Sông Gang | 1,68 | 1,40 | 1,26 | 1,28 | 1,77 | 2,15 | 2,19 | 2,86 | 4,83 | 5,42 | 3,60 | 2,28 |
Sông Giăng | 26,9 | 11,5 | 6,08 | 4,22 | 10,39 | 15,9 | 17,8 | 31,5 | 59,1 | 74,0 | 60,0 | 48,3 |
Hữu Thanh Chương | 236 | 150 | 95,4 | 89,3 | 187 | 329 | 410 | 682 | 1179 | 1125 | 668 | 379 |
Tổng lưu vực (m3/s) | 1884 | 1261 | 850 | 794 | 1555 | 2559 | 3149 | 5282 | 9076 | 8802 | 5170 | 2915 |
III. TÍNH TOÁN NHU CẦU NƯỚC TRÊN LƯU VỰC BẰNG MÔ HÌNH IQQM Mô hình IQQM (Integrated Quantity and Quality Model) do Australia xây dựng và phát triển [1]. Mô hình đã được ứng dụng cho một số lưu vực sông NSW và Queenland (Australia). Những năm gần đây đã được đưa vào ứng dụng cho lưu vực sông Mê Kông. Đây là mô hình mô phỏng sử dụng nước lưu vực nhằm đánh giá các tác động của chính sách quản lý tài nguyên nước đối với người sử dụng nước. Dựa vào đặc tính lấy nước của các công trình và nguồn cấp nước, cũng như các đơn vị tưới, lưu vực sông Cả và vùng hưởng lợi được chia thành 21 vùng (Bảng 2). Trong mỗi vùng có các hộ sử dụng nước chính được đưa vào mô hình để tính là: nông nghiệp, sinh hoạt, công nghiệp, thủy sản, môi trường... Dựa trên các tài liệu phát triển kinh tế - xã hội của lưu vực ở thời điểm hiện tại (2010) [3] và chính sách quản lý tài nguyên nước và quy hoạch phát triển kinh tế xã hội, cơ cấu sử dụng đất... trong tương lai (2020) để tính toán nhu cầu nước cho toàn bộ lưu vực (Bảng 2). Bảng 2. Nhu cầu nước 21 vùng trên hệ thống sông Cả TT Tên vùng Hiện trạng Tương lai Diện tích (ha) Nhu cầu nước (103m3) Diện tích (ha) Nhu cầu nước (103m3) 1 Nghi Xuân 8913 19583 9042 19867 2 Sông Nghèn+ Nam Đức 63283 158222 77676 195728 3 Tám xã Nam Đàn 6610 12730 6473 12464 4 Hương Sơn 13300 21902 14368 26802 5 Ngàn Trươi 4225 3957 5953 6522 6 Ngàn Sâu 13301 53819 16646 101214 7 Nam Hưng Nghi 44490 103980 43977 102780 8 Vân Tràng+Anh Sơn 30105 61278 33933 69454 9 Bản Vẽ 407 1113 402 1105 10 Nậm Mô 678 1849 896 2458 11 Tương Dương 568 1551 551 1514 12 Huổi Nguyên 102 280 118 324 13 Con Cuông 3494 7295 3713 7951 14 Vùng hạ sông Hiếu 37056 56130 37527 56837 15 Sông Dinh- Bãi Tập 21588 23680 23981 26471 16 Quế Phong+ Quỳ Châu 13848 18720 18036 23487 17 Sông Chàng 205 278 2326 3012 18 Sông Gang 7505 16443 7537 16512 19 Sông Giăng 4016 7376 4079 7572 20 Hữu Thanh Chương 11496 25189 11546 25294 21 Diễn Yên Quỳnh 49952 159328 59096 188298 Tổng lưu vực 335144 754703 377877 895666 Ngoài các nhu cầu nước cơ bản trên, trong nghiên cứu này, chúng tôi còn tính đến dòng chảy tối thiểu để duy trì sự sống của dòng sông. Trong đó, việc khai thác nguồn nước cho các nhu cầu phát triển kinh tế tại một vùng chỉ được thực hiện khi dòng chảy tại điểm đó phải đảm bảo lượng nước lớn hơn dòng chảy tối thiểu (dòng chảy trung bình tháng nhỏ nhất vùng ứng với tần suất 90 %). Vị trí và kết quả xác định dòng chảy tối thiểu tại một vài vị trí được đưa ra như bảng 3. Bảng 3. Dòng chảy tối thiểu tại một số vị trí trên lưu vực sông Cả TT Vị trí Q (m3/s) 1 Quỳ Châu 11.3 2 Sông Tràng 1.9 3 Sông Dinh 4 4 Ngã ba Dừa-Hiếu 17.2 5 Bản Vẽ 18.2 6 Nậm Mô 19 7 Tương Dương 36.7 8 Huổi Nguyên 0.5 9 Mộ Đức 42.2 10 Anh Sơn 70 11 Thác Muối 2.8 12 Rào Gang 1 13 Thanh Chương; Lấy nước Diễn Yên Quỳnh; Lấy nước Hưng Nghi 74 16 Nam Đàn 75.3 17 Ngàn Sâu 14.8 18 Ngàn Trươi 6.1 19 Hương Sơn 10 20 Nghèn 43 21 Nghi Xuân 97 IV. TÍNH TOÁN PHÂN PHỐI NGUỒN NƯỚC BẰNG MÔ HÌNH MIKE BASIN MIKE BASIN là một module trong bộ phần mềm MIKE do Viện thủy lực Đan Mạch (DHI) xây dựng, dùng để tính toán cân bằng nước hệ thống trên cơ sở xác định lượng nước đến và lượng nước yêu cầu của toàn bộ các hộ dùng nước một cách tối ưu nhằm giúp cho công tác quy hoạch tổng hợp và quản lý tài nguyên nước cho lưu vực sông [2]. MIKE BASIN hoạt động trên cơ sở mạng lưới sông được số hoá xây dựng trong môi trường Arcview GIS. Tất cả những thông tin liên quan đến hình dạng của một mạng mô phỏng dòng chảy, vị trí sử dụng nước, hồ chứa, điểm lấy nước cũng như điểm thoát nước [2]. 4.1. Yêu cầu số liệu của MIKE BASIN Ðầu vào cơ bản của mô hình bao gồm dữ liệu chuỗi thời gian về dòng chảy của lưu vực. Các file đầu vào bổ sung xác định đặc tính và quy tắc vận hành của từng hồ chứa, chuỗi thời gian khí tượng thuỷ văn và dữ liệu thích hợp cho từng công trình cấp nước hay công trình thuỷ lợi như các yêu cầu về chuyển dòng và các thông tin khác mô tả dòng chảy hồi quy [2]. Số liệu khí tượng thủy văn: bao gồm kết quả dòng chảy từ mô hình NAM, số liệu bốc hơi, nhiệt độ... Số liệu nhu cầu sử dụng nước trong nông nghiệp: là kết quả tính toán từ mô hình IQQM. Số liệu nhu cầu sử dụng nước các ngành khác: bao gồm nước sinh hoạt, công nghiệp, thủy sản... Số liệu về hồ chứa gồm: - Dung tích hữu ích, dung tích chết, dung tích toàn bộ; - Quan hệ dung tích – mực nước hồ W ~ Z; - Khả năng xả của tràn; - Lưu lượng thiết kế xả xuống hạ du; - Quy trình điều hành hồ chứa. Bảng 4. Chỉ tiêu kỹ thuật các công trình hồ chứa trong tính toán Thông số kỹ thuật Đơn vị Công trình hồ chứa Bản Vẽ Bản Mồng Khe Bố Ngàn Trươi Sông Cả Hiếu Cả Ngàn Sâu Diện tích lưu vực km2 8.7 2.800 14300 506 Lưu lượng bình quân năm m3/s 134 96.9 254 38,3 Lưu lượng lũ thiết kế m3/s 7770 5937.3 6525.89 4914 MNDBT m 200 76.4 65 52 MNC m 177.5 65 63 25 Dung tích toàn bộ 106m3 1834,6 235.5 97,8 460 Dung tích hữu ích 106m3 845,80 109.76 17.2 339,5 Dung tích chết 106m3 451.6 125.74 80.6 120,5 Công suất lắp máy Mw 320 42 100 19 Điện lượng năm 106Kwh 1084,2 159 444,8 153 Hình 2. Mô phỏng sơ đồ hệ thống tính cân bằng nước cho sông Cả trong mô hình Mike Basin Bảng 5. Kết quả hiệu chỉnh mô hình Mike Basin cho các điểm kiểm tra Trạm WTBtính (106 m3) WTBđo (106 m3) QTBtính (m3/s) QTB đo (m3/s) Hệ số Nash Nghĩa Đàn 3828 3932 121 125 0.94 Dừa 12316 13283 390 421 0.91 Yên Thượng 15049 18534 476 588 0.87 Hoà Duyệt 3499 4441 111 141 0.85 V. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC CHO LƯU VỰC SÔNG CẢ Kết quả phân tích thiếu hụt nước thể hiện ở bảng 5 và 6: Bảng 6. Tổng hợp lượng nước thiếu của từng vùng theo hiện trạng Đơn vị: 103 m3 Vùng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Tổng Nghi Xuân 0 0 0 0 0 0 23 0 0 0 0 0 23 Sông Nghèn+ Nam Đức 160 336 245 0 4861 2179 2773 0 0 0 0 23 10578 Tám xã Nam Đàn 19 40 41 0 256 15 24 0 0 0 0 2 396 Hương Sơn 0 0 0 0 21 63 27 0 0 0 0 0 112 Ngàn Trươi 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 11 Ngàn Sâu 6 23 15 0 186 201 239 0 0 0 0 0 669 Nam Hưng Nghi 164 288 345 0 1724 270 247 0 0 0 0 47 3085 Vân Tràng+Anh Sơn 82 131 191 0 432 92 90 0 0 0 0 0 1018 Bản Vẻ 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 5 Nậm Mộ 6 13 16 3 6 17 5 0 0 0 0 0 65 Tương Dương 0 3 6 0 3 7 6 0 0 0 0 0 25 Huổi Nguyên 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 2 Con Cuông 0 17 10 0 10 12 21 0 0 0 0 0 70 Vùng hạ sông Hiếu 8 41 57 406 0 806 161 0 0 0 0 0 1478 Sông Dinh- Bãi Tập 55 69 113 375 0 482 170 0 0 0 0 101 1364 Quế Phong+ Quỳ Châu 14 57 6 0 0 336 38 0 0 0 0 0 451 Sông Chàng 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 3 Sông Gang 0 0 0 0 13 12 0 0 0 0 0 254 279 Sông Giăng 0 0 0 0 94 8 11 0 0 0 0 0 112 Hữu Thanh Chương 53 77 101 0 378 57 39 0 0 0 0 11 715 Diễn Yên Quỳnh 218 330 560 84 2081 123 150 0 0 0 0 0 3547 Tổng lưu vực 784 1425 1707 868 10076 4682 4030 0 0 0 0 437 24009 Bảng 7. Tổng hợp lượng nước thiếu cho từng vùng theo quy hoạch tương lai (2020) . Đơn vị: 103 m3 Vùng I II III IV V VI VII VIII IX X XI Dec Tổng Nghi Xuân 0 0 0 0 0 0 24 0 0 0 0 0 24 Sông Nghèn+ Nam Đức 356 575 364 0 6304 3718 4592 0 0 0 0 357 16266 Tám xã Nam Đàn 19 43 42 0 269 15 24 0 0 0 0 4 416 Hương Sơn 0 0 0 0 0 104 49 0 2 0 0 0 155 Ngàn Trươi 0 0 0 0 0 2 8 0 0 0 0 0 10 Ngàn Sâu 12 34 22 0 0 575 662 0 0 0 0 0 1304 Nam Hưng Nghi 172 348 366 0 1847 279 251 0 0 0 0 89 3351 Vân Tràng+Anh Sơn 100 161 223 0 455 115 111 0 0 0 0 0 1165 Bản Vẻ 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 5 Nậm Mộ 8 17 21 2 0 27 8 0 0 0 0 0 82 Tương Dương 0 3 5 0 0 8 7 0 0 0 0 0 24 Huổi Nguyên 0 0 0 0 0 2 1 0 0 0 0 0 2 Con Cuông 0 18 11 0 0 16 26 0 0 0 0 0 70 Vùng hạ sông Hiếu 11 55 72 413 0 888 171 0 0 0 0 0 1610 Sông Dinh- Bãi Tập 66 81 136 435 0 574 199 0 0 0 0 126 1617 Quế Phong+ Quỳ Châu 28 83 11 0 0 365 41 0 0 0 0 0 528 Sông Chàng 3 10 1 0 0 45 5 0 0 0 0 0 64 Sông Gang 0 0 0 0 14 13 0 0 0 0 0 263 290 Sông Giăng 0 0 0 0 94 8 11 0 0 0 0 0 113 Hữu Thanh Chương 54 104 106 0 424 66 39 0 0 0 0 39 832 Diễn Yên Quỳnh 317 437 739 115 2671 167 181 0 0 0 0 31 4658 Tổng lưu vực 1145 1968 2120 965 12079 6986 6413 0 2 0 0 909 32588 Từ kết quả tính toán cân bằng nước có thể rút ra một số nhận xét sau: - Vào các tháng đầu mùa lũ, lượng dòng chảy đến lớn cung cấp đủ nước cho các vùng thuộc lưu vực sông Cả nên hầu hết ở các tiểu vùng không xảy ra tình trạng thiếu nước dùng. - Kết quả phân tích ở bảng 6 và bảng 7 trên cho thấy, một số tiểu vùng chịu tác động trực tiếp của hồ chứa như Bản Vẽ, Ngàn Trươi lượng nước cung cấp cho các nhu cầu sử dụng nước khá đầy đủ vì vậy trong các tháng mùa cạn, số năm thiếu nước hầu như không có hoặc chiếm tỉ lệ rất nhỏ (5-10%). Trong khi đó, một số vùng lại bị áp lực về nước trong các tháng mùa cạn rất lớn như Sông Dinh, Rào Gang và khu Nghèn - Nam Đức. Vùng Sông Nghèn, Rào Gang trong 49 năm tính toán (1961-2009) có khoảng 29% số năm có tháng xảy ra thiếu nước. Khu sử dụng nước sông Dinh trong thời đoạn tính toán với diện tích quy hoạch hiện trạng có đến 17-18 số năm lượng nước đến tháng IV, VI không đủ để cung cấp cho nông nghiệp, sinh hoạt. Vùng hạ du sông Hiếu, thiếu hụt nước vào các tháng mùa cạn khoảng 2-18 năm trong 49 năm tính toán (chiếm 4-37%). Khu Ngàn Sâu tình trạng thiếu nước xảy ra vào một trong các tháng mùa cạn với tỉ lệ khoảng lớn nhất khoảng 43% số năm xảy ra vào tháng V. - Lượng nước thiếu lớn nhất thường xảy ra vào các tháng 5-7 toàn lưu vực trung bình khoảng 10 triệu m3 trong phương án sử dụng nước hiện trạng, 12 triệu m3 trong phương án sử dụng nước năm 2020. Tổng lượng nước thiếu hụt trong kịch bản hiện trạng là 24 triệu m3 tăng lên 33 triệu m3 trong phương án tương lai. Trong tương lai với quy hoạch sử dụng đất năm 2020 thì tình trạng thiếu nước có xu hướng tăng tại một số vùng. Vùng sử dụng nước Ngàn Sâu có đến 47-51% số năm xảy ra tình trạng thiếu nước vào tháng VI-VII, khu Sông Dinh – Bãi Tập số năm thiếu nước cũng tăng lên 19-20 trong tổng số 49 năm. VI. KẾT LUẬN Trong bài báo này, nhóm nghiên cứu dựa trên quan điểm duy trì dòng chảy môi trường, tức là lượng nước đến cho mỗi vùng không được sử dụng hết mà chỉ sử dụng một phần trong đó để bảo đảm duy trì sự sống cho dòng sông. Do đó, nguồn nước bị thiếu có thể khác biệt so với một số nghiên cứu trước đây. Kết quả tính toán cân bằng nước cho lưu vực sông Cả cho thấy tài nguyên nước trên lưu vực mặc dù phong phú nhưng tình trạng thiếu nước vẫn xảy ra trên hầu hết các vùng, trong đó các tháng 4,5,6,7 lượng nước thiếu khá gay gắt. Hiện nay, trên lưu vực đã và đang quy hoạch xây dựng nhiều hồ chứa nước lớn nhằm tận dụng nước vào mùa mưa bổ sung cho mùa kiệt. Tuy nhiên, để tài nguyên nước không bị lãng phí cần giải quyết bài toán vận hành liên hồ chứa và quy hoạch tổng thể tài nguyên nước một cách tổng hợp và bền vững. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. IQQM User Manual, 2005. [2]. DHI, 2000. Mike Basin, rain runoff modelling. DHI software [3]. Tổng cục thông kê, 2010. Niên giám thống kê tỉnh Nghệ An 2009. Cục thống kê Nghệ An [4]. Viện QH Thủy lợi, 2008. Quy hoạch sử dụng tổng hợp nguồn nước lưu vực sông Cả. Tác giả: PGS.TS. Lê Văn Nghị, ThS. Lương Hữu Dũng, KS. Hoàng Đức Vinh TẠP CHÍ KH&CN THỦY LỢI
Phòng Thí nghiệm Trọng điểm QG về ĐLHSB
ThS. Nguyễn Quốc Huy
Trường Cao đẳng nghề cơ điện và xây dựng Bắc Ninh
Ý kiến góp ý:
