Tài liệu Luận văn thạc sỹ đề tài so sánh ứng dụng mô hình thủy văn nam và frasc để đánh giá tài nguyên nước lưu vực thác mơ

TP. HỒ CHÍ MINH THÁNG 05 NĂM 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---o--- LÊ THANH TRANG SO SÁNH ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN NAM VÀ FRASC ĐỂ ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC THÁC MƠ CHUYÊN NGÀNH : KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ : 65.02.14 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VŨ VĂN NGHỊ i Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường LỜI CẢM ƠN Em chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn là TS Vũ Văn Nghị đã truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm, chỉ dẫn tận tình và hỗ trợ mô hình toán cho em trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này. Chân thành cảm ơn các thầy cô khoa môi trường trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Tp. Hồ Chí Minh đã giúp em có những kiến thức bổ ích trong những năm học tại Khoa Môi trường - trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người thân trong gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp Công ty Nước và Môi Trường Bình Minh – những người luôn ở bên cạnh, tận tình giúp đỡ, động viên tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Ngoài ra, trong luận văn này tác giả đã sử dụng một số tư liệu và thành quả nghiên cứu đã công bố của nhiều công trình khác nhau. Rất mong nhận được sự lượng thứ từ các tác giả của các tài liệu tham khảo trong luận văn này, và cho phép được trích dẫn tài liệu. Xin chân thành cảm ơn! Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” ii Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường TÓM TẮT Nước là một tài nguyên cho sự sống và được xem là một nhân tố thiết yếu cho các hệ sinh thái. Trong những năm gần đây, việc thiếu hụt nguồn nước ngày càng trở nên nghiên trọng đối với quá trình phát triển kinh tế xã hội. Nguyên nhân sâu xa là do những bất cập trong công tác quản lý (khai thác quá mức, phá rừng, ô nhiễm…), đánh giá trữ lượng tài nguyên nước của từng lưu vực. Do đó, việc đánh giá tài nguyên nước trên lưu vực phục vụ cho phát triển kinh tế xã hội là việc làm cấp bách hiện nay. Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học máy tính nhiều mô hình toán thủy văn đã ra đời mô phỏng khá tốt nguồn nước trên các lưu vực sông hai trong số đó là mô hình NAM và FRASC. Tuy nhiên, mô hình toán không phải lúc nào hay mô hình nào cũng thích hợp cho bất cứ vùng nào; hay nói một cách khác rằng không có mô hình nào mang tính chất toàn cầu. Việc lựa chọn mô hình ứng dụng cho mỗi điều kiện nhất định cũng là một vấn đề khó khăn đối với các chuyên gia thuỷ văn. Do đó, trong luận văn này, tác giả đã so sánh ứng dụng hai mô hình thủy văn NAM và FRASC cho lưu vực Thác Mơ. Dựa trên các tiêu chí đánh giá như hệ số thặng dư (Bias), hệ số hiệu quả mô hình (R2 ), và hệ số tương quan (r). Kết mô phỏng cho thấy, cả hai mô hình mô phỏng rất tốt, lưu lượng tính toán bằng mô hình phù hợp với số liệu thực đo cho lưu vực Thác Mơ. Tuy nhiên, mô hình FRASC đưa ra được thông tin về tài nguyên nước tại từng điểm trên lưu vực; đặc biệt, đối với mô hình FARSC từ kết quả mô phỏng lũ với mô hình cao độ số (DEM) có thể xây dựng được bản đồ ngập lụt. Vì vậy, mô hình FRASC có thể được xem như là một công cụ hữu ích cho việc kiễm soát lũ và quản lý tài nguyên nước tổng hợp cho lưu vực Thác Mơ. Dựa vào kết quả mô phỏng của mô hình FRASC, tác giả đã tính toán tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ theo các tần suất thiết kế (P = 5% năm nhiều nước; P = 50% năm nước trung bình; và P = 90% năm ít nước) làm cơ sở phục vụ phát triển bền vững kinh tế xã hội lưu vực Thác Mơ và các vùng hưởng lợi. Từ khóa: mô hình NAM, mô hình FRASC, so sánh mô hình, tài nguyên nước. Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” iii Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường ABSTRACT Water is an invaluable resource and is considered an essential factor for the ecosystem. In recent years, the issue of inadequate water is becoming more and more important to the social and economic development process. Deep causes are due to short of the management (overexploitation, deforestation, pollution ...), assessment of water resources reserves of each basin…. Therefore, the assessment of water resources of the catchment for socio-economic development is an imperative need now. Nowadays along with the development of computer science, many mathematics hydrologic (hydrographic mathematical) models imitated pretty well water sources in watersheds, two of those are NAM and FRASC model. However, mathematical models are not always correct or any model is also suitable for any region, or in other words there is not any model which does not have a global characteristic. The choice of model for each application under certain conditions is a difficult problem for hydrology experts. Consequently, in this thesis, the author compares the application the hydrological NAM and FRASC model for Thac Mo catchment. Based on the evaluation criteria such as water balance error (Bias), NashSutcliffe (R2 ) and Pearson correlation coefficient (r) demonstrate that both models imitated very well, the flow calculated by the model fit the data measured for Thac Mo basin. However, the information on water resources at each point in the basin was given by FRASC model, especially; with the simulation results of FARSC model and digital elevation model (DEM), we can establish inundation maps. So FRASC model can be viewed as a useful tool for flood control and integrated management water resource in Thac Mo basin. Based on the simulation results of FRASC model, the authors calculated the water resources in the Thac Mo basin with design frequency (P = 5% wet year; P = 50% average water year, and P = 90% less water year); It will be the basis for the socio-economic sustainable development of Thac Mo catchment and beneficiaries areas. Keywords: NAM model, FRASC model, model comparison, water resource. Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” iv Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................ i TÓM TẮT ............................................................................................................................. ii MỤC LỤC ........................................................................................................................... iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................. vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................... viii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................................................ ix MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 1. Đặt vấn đề .................................................................................................................. 1 2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ............................................................................... 2 2.1 Thế gới ................................................................................................................. 2 2.2 Trong nước .......................................................................................................... 3 2.3 Thảo luận về mô hình toán trong nghiên cứu tài nguyên nước ........................... 5 2.4 Đánh giá nhận xét ................................................................................................ 7 3. Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu ....................................................... 7 3.1 Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 7 3.2 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu ........................................................................ 8 3.3 Nội dung nghiên cứu ........................................................................................... 8 3.4 Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 9 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................... 9 4.1 Ý nghĩa khoa học ................................................................................................. 9 4.2 Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................... 10 CHƯƠNG 1: MÔ TẢ KHU VỰC NGHIÊN CỨU ......................................................... 11 1.1 Đặc điểm tự nhiên ................................................................................................. 11 1.1.1 Vị trí địa lý ..................................................................................................... 11 1.1.2 Địa hình .......................................................................................................... 11 1.1.3 1.1.4 Thổ nhưỡng .................................................................................................... 12 Thảm thực vật ................................................................................................ 12 1.1.5 1.1.6 Hệ thống sông ................................................................................................ 12 Khí hậu ........................................................................................................... 13 1.1.6.1 Nhiệt độ không khí ................................................................................. 13 Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” v Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Độ ẩm ..................................................................................................... 13 Số giờ nắng ............................................................................................. 14 1.1.6.4 Gió .......................................................................................................... 14 1.1.6.5 Bốc hơi ................................................................................................... 15 1.1.6.6 Mưa ......................................................................................................... 15 1.2 Nhận xét, đánh giá các đặc điểm tự nhiên vùng nghiên cứu ................................. 16 1.2.1 Thuận lợi ........................................................................................................ 16 1.1.6.2 1.1.6.3 1.2.2 Khó khăn ........................................................................................................ 17 1.3 Điều kiện kinh tế xã hội trên lưu vực .................................................................... 17 1.3.1 Đặc điểm dân số ............................................................................................. 17 1.3.2 Tình hình kinh tế trong khu vực .................................................................... 18 1.3.3 Phương hướng phát triển kinh tế xã hội theo các giai đoạn phát triển .......... 18 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH THỦY VĂN ............................................................................. 20 2.1 Tổng quan về mô hình thủy văn ............................................................................ 20 2.2 Phân loại mô hình thủy văn ................................................................................... 21 2.2.1 Mô hình tất định (Deterministic model) ........................................................ 22 2.2.2 Mô hình ngẫu nhiên (Stochastic model) ........................................................ 23 2.3 Tiêu chuẩn lựa chọn mô hình ................................................................................ 24 2.4 Tiêu chuẩn đánh giá mô hình mô phỏng ............................................................... 25 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN THÍCH HỢP CHO LƯU VỰC THÁC MƠ................................................................................... 27 3.1 Tổng quan.............................................................................................................. 27 3.2 Mô hình NAM ....................................................................................................... 28 3.2.1 3.2.2 Khái quát về mô hình NAM .......................................................................... 28 Cấu trúc mô hình ............................................................................................ 28 3.2.2.1 Bể tuyết (áp dụng cho vùng có tuyết) ..................................................... 30 3.2.2.2 Bể chứa mặt ............................................................................................ 30 3.2.2.3 Bể sát mặt và bể tầng rễ cây ................................................................... 30 3.2.2.4 3.2.2.5 3.2.2.6 Bốc thoát hơi .......................................................................................... 30 Dòng chảy mặt. ....................................................................................... 30 Dòng chảy sát mặt .................................................................................. 31 Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” vi Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường 3.2.2.7 3.2.2.8 Bổ sung dòng chảy ngầm ....................................................................... 31 Lượng ẩm của đất ................................................................................... 31 3.2.3 Hiệu chỉnh các thông số của mô hình ............................................................ 32 3.2.4 Những điều kiện ban đầu ............................................................................... 33 3.3 Mô hình FRASC ................................................................................................... 33 3.3.1 3.3.2 Khái quát về mô hình FRASC ....................................................................... 33 Cấu trúc mô hình FRASC .............................................................................. 34 3.3.3 Cơ sở lý thuyết và các phương pháp tính ...................................................... 37 3.3.3.1 Bốc thoát hơi nước ................................................................................. 37 3.3.3.2 Hình thành dòng chảy ............................................................................. 37 3.3.3.3 Sự phân chia các thành phần dòng chảy trong mỗi ô lưới ...................... 41 3.3.3.4 Tập trung dòng chảy ............................................................................... 43 3.3.3.5 Diễn toán dòng chảy từ ô lưới đến ô lưới ............................................... 44 3.3.4 Thảo luận về các thông số .............................................................................. 45 3.3.4.1 3.3.4.2 Các thông số bốc thoát hơi nước ............................................................ 46 Các thông số hình thành dòng chảy ........................................................ 47 3.3.4.3 Các thông số phân chia dòng chảy ......................................................... 47 3.3.4.4 Các thông số tập trung dòng chảy .......................................................... 48 3.4 Mô hình hóa cho khu vực nghiên cứu ................................................................... 48 3.4.1 Sơ đồ mạng lưới hóa cho khu vực nghiên cứu .............................................. 48 3.4.2 Tài liệu đầu vào .............................................................................................. 49 3.4.2.1 . Tài liệu thảm thực vật (land cover) và các thông số liên quan đến thảm thực vật ..................................................................................................................... ........ 49 3.4.2.2 Tài liệu mưa ............................................................................................ 51 Tài liệu bốc hơi ....................................................................................... 52 Tài liệu lưu lượng ................................................................................... 52 Dữ liệu GIS ............................................................................................. 52 mô phỏng ................................................................................................. 55 3.4.2.3 3.4.2.4 3.4.2.5 3.5 Kết quả 3.5.1 3.5.2 Mô hình NAM ............................................................................................... 56 Mô hình FRASC ............................................................................................ 57 Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” vii Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường 3.6 3.7 So sánh .................................................................................................................. 59 Kết luận ................................................................................................................. 63 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC THÁC MƠ .................. 4.1 Tổng quan.............................................................................................................. 4.2 Kết quả mô phỏng dòng chảy................................................................................ 4.3 Phân tích và đánh giá kết quả tính toán ................................................................. 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 Tính toán đặc trưng dòng ...................................................................... 65 Dòng chảy .............................................................................................. 67 Dòng chảy theo ...................................................................................... 68 Tính toán dòng chảy năm, mùa thiết ......................................................... 70 64 64 65 65 chảy năm mùa kế KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 74 PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 77 Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” viii Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT DEM DHI GIS KCN KHCN KHTL KT-XH LVS MIKE BASIN NAM QHTL TB TCVN TV VKTTĐPN XINANJIANG : FRASC : : : : : : : : : : : : : : : : Mô hình cao độ số Viện Thuỷ lực Đan Mạch Hệ thống thông tin địa lý Khu Công nghiệp Khoa học công nghệ Khoa học thủy lợi Kinh tế – xã hội Lưu vực sông Mô hình tính toán cân bằng nước (DHI) Mô hình mưa rào - dòng chảy (DHI) Quy hoạch thủy lợi Trung bình Tiêu chuẩn Việt Nam Thủy văn Vùng Kinh tế trọng điểm phía Nam Mô hình thủy văn Mô hình diễn toán lũy tích dòng chảy lưu vực Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” ix Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Nhiệt độ trung bình hang tháng và cả năm của trạm Phước Long ....................... 13 Bảng 1.2 Độ ẩm không khí bình quân nhiều năm trạm Phước Long .................................. 16 Bảng 1.3 Các đặc trưng khí tượng trung bình tháng vùng nghiên cứu................................ 18 Bảng 1.4 Phân bố lượng bốc hơi hàng năm bằng phương pháp Penman Monteith ............ 18 Bảng 1.5 Lượng mưa trung bình tháng tại các trạm đo và trung bình lưu vực (mm) .......... 19 Bảng 1.6 Hiện trạng dân số vùng nghiên cứu[13][14]............................................................. 20 Bảng 1.7 Phân bố diện tích đất trong khu vực nghiên cứu[13][14] ......................................... 21 Bảng 1.8 Quy hoạch sử dụng đất trong khu vực nghiên cứu............................................... 22 Bảng 3.1 Bảng tổng hợp các thông số chính trong hiệu chỉnh mô hình NAM .................... 36 Bảng 3.2 Các thông số của mô hình FRASC....................................................................... 40 Bảng 3.3 Các thông số liên quan từng loại thảm phủ lưu vực Thác Mơ ............................. 55 Bảng 3.4 Trọng số thiessen tính mưa trung bình các tiểu lưu vực ...................................... 57 Bảng 3.5 Bộ thông số mô hình NAM từ hiệu chỉnh mô hình cho lưu vực Thác Mơ .......... 69 Bảng 3.6 Bộ thông số mô hình FRASC từ hiệu chỉnh mô hình cho lưu vực Thác Mơ....... 70 Bảng 3.7 Tiêu chuẩn đánh giá hai mô hình NAM và FRASC thời kì hiệu chuẩn (1982 – 1984) và kiểm định (1985 – 1987) cho lưu vực Thác Mơ................................................... 72 Bảng 4.1 Đặc trưng dòng chảy trung bình nhiều năm lưu vực nghiên cứu ......................... 79 Bảng 4.2 Lưu lượng dòng chảy TB năm tại Thác Mơ theo các tần suất thiết kế ................ 84 Bảng 4.3 Lưu lượng dòng chảy TB mùa lũ tại Thác Mơ theo các tần suất thiết kế ........... 84 Bảng 4.4 Lưu lượng dòng chảy TB mùa kiệt tại Thác Mơ theo các tần suất thiết kế ........ 84 Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” x Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1 Phạm vi không gian vùng nghiên cứu........................................................................ 8 Hình 1.1 Phân phối lượng mưa trung bình tháng lưu vực Thác Mơ thời kì 1981-2007 ...... 16 Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc của mô hình NAM ........................................................................ 29 Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc mô hình FRASC ........................................................................... 35 Hình 3.3 Phân bố sức chứa nước ứng suất trong lưu vực .................................................... 38 Hình 3.4 The free water storage capacity distribution curve ............................................... 42 Hình 3.5 Bản đồ thảm phủ đất UMD 1 km .......................................................................... 50 Hình 3.6 Đa giác Thiessen được xác định bằng phần mềm MIKE BASIN ........................ 51 Hình 3.7 (a) Ảnh DEM gốc, và (b) DEM được lấp đầy của lưu vực Thác Mơ ................... 53 Hình 3.8 (a) Hướng dòng chảy, và (b) Lũy tích dòng chảy tại lưu vực Thác Mơ ............... 54 Hình 3.9 (a) Lưu vực, và (b) Mạng lưới sông của lưu vực Thác Mơ .................................. 55 Hình 3.10 Quá trình lũy tích dòng chảy thực đo và mô phỏng tại Thác Mơ thời kỳ hiệu chỉnh mô hình NAM ............................................................................................................ 57 Hình 3.11 Quá trình lũy tích dòng chảy thực đo và mô phỏng tại Thác Mơ thời kỳ hiệu chỉnh mô hình FRASC ......................................................................................................... 59 Hình 4.1 Quá trình lưu lượng ngày mô phỏng cửa ra Thác Mơ .......................................... 65 Hình 4.2 Hình 4.3 Hình 4.4 Hình 4.5 Lưu lượng dòng chảy trung bình tháng tại lưu vực thác Mơ ................................ Lưu lượng trung bình năm tại Thác Mơ thời kì 1981-2007 .................................. Lưu lượng trung bình mùa lũ tại Thác Mơ thời kì 1981-2007 ............................. Lưu lượng trung bình mùa kiệt tại Thác Mơ thời kì 1981-2007 ........................... 67 67 68 69 Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 1 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Nước là yếu tố quyết định đến sự tồn tại và phát triển môi trường sống. Nước là một loại tài nguyên thiên nhiên quý giá và có hạn, là động lực chủ yếu chi phối mọi hoạt động dân sinh kinh tế của con người. Nước được sử dụng cho nông nghiệp, phát điện, giao thông vận tải, chăn nuôi, thuỷ sản, cấp nước sinh hoạt, công nghiệp, du lịch, cải tạo môi trường… Bởi vậy, tài nguyên nước có giá trị kinh tế và được coi là một hàng hoá[4]. Lưu vực Thác Mơ là một chi lưu của lưu vực sông Bé. Là vùng đồi núi trung du nằm trong địa phận các tỉnh Đắc Nông và Bình Phước có độ cao từ vài chục đến hơn 1000 m (dữ liệu khai thác từ bản đồ cao độ số DEM 90 m x 90 m). Tài nguyên nước lưu vực sông Bé có tiềm năng rất dồi dào, phân tích thống kê tài liệu khí tượng thuỷ văn, lượng mưa trung bình lưu vực khoảng 2200 – 2700 mm/năm tăng dần từ hạ lưu lên thượng lưu với hệ số dòng chảy α = 0.55 [28], là nguồn cung cấp nước chính cho phát triển kinh tế địa phương và cả khu vực hạ du. Về khai thác tài nguyên nước, trên lưu vực Thác Mơ có hệ thống thuỷ lợi, thuỷ điện Thác Mơ được thiết kế và đi vào vận hành từ năm 1994 trong tổng thể bốn bậc thang trên dòng sông Bé (từ thượng lưu tới hạ lưu): Thác Mơ, Cần Đơn,Srok Phu Miêng và Phước Hoà. Hệ thống thuỷ điện, thuỷ lợi này đã và đang tạo một sản lượng điện lớn cho lưới điện quốc gia; cung cấp nước tưới, sinh hoạt, công nghiệp, cải tạo môi trường và phòng chống lũ góp phần quan trọng vào sự phát triển bền vững kinh tế xã hội khu vực Đông Nam Bộ, nơi được quy hoạch thành Vùng kinh tế Trọng điểm phía Nam (Southern Focal Economic Area – SFEA). Ngoài ra còn có các hồ chứa nhỏ được xây dựng nhằm thoả mãn nhu cầu nước cục bộ. Do đó, dòng chảy tự nhiên trên hệ thống sông có sự thay đổi lớn. Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 2 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đã có nhiều nghiên cứu về tài nguyên nước lưu vực sông Bé, đặc biệt trong những năm gần đây[12], [13], [15] . Tuy nhiên, do việc khai thác nguồn nước như đã nêu ở trên cũng như do sự biến đổi khí hậu toàn cầu và thay đổi mặt đệm (phá rừng, chuyển đổi cơ cấu cây trồng) nên việc cập nhật nghiên cứu vẫn là vấn đề thời sự. Ngày nay, cùng với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin, nhiều mô hình toán thuỷ văn có thể mô phỏng khá tốt nguồn nước trên các lưu vực sông. Nhiều phần mềm tính toán đã được xây dựng, kiểm tra trên thực tế và hiệu chỉnh nên đã cho kết quả gần phù hợp với thực tế. Sự ra đời của các phần mềm mô phỏng này đã mở ra một kỹ nguyên mới cho việc dự báo và dự đoán nguồn nước. các mô hình này đã trở thành một công cụ đắc lực, hỗ trợ rất nhiều trong việc tính toán nên việc đánh giá tài nguyên nước trở nên dễ dàng và nhanh chóng hơn. Tuy nhiên, mô hình toán không phải lúc nào hay mô hình nào cũng thích hợp cho bất cứ vùng nào; hay nói một cách khác rằng không có mô hình nào mang tính chất toàn cầu[27]. Việc lựa chọn mô hình ứng dụng cho mỗi điều kiện nhất định cũng là một vấn đề khó khăn đối với các chuyên gia thuỷ văn. Như vậy, việc nghiên cứu mô hình toán thuỷ văn ứng dụng đầy về lưu vực Thác Mơ để phát huy hiệu quả việc xây dựng công trình, tận dụng tối đa nguồn nước là việc làm cấp bách hiện nay. Qua phân tích ở trên, đề tài “So sánh ứng dụng mô hình thuỷ văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” được đề xuất thực hiện. 2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 2.1 Thế gới Cách mạng số hoá bắt đầu với sự ra đời của máy tính trong những năm 1960 của thế kỷ 20. Khả năng của máy tính từ đó tăng lên rất nhanh. Cách mạng số còn thúc đẩy nhiều cuộc cách mạng khác, đó là mô phỏng số và mô phỏng thống kê. Do đó, những thuận lợi về mô hình lưu vực đã ra đời và khởi nguyên là sự phát triển mô hình lưu Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 3 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường vực Stanford (the Stanford Watershed Model – SWM) bởi Crawford và Linsley vào năm 1966 [19]. Trong suốt những năm 1970 và 1980, một số mô hình toán học đã được phát triển. Quả thực có sự gia tăng đáng kể về mô hình thuỷ văn từ đó, với việc đi sâu nghiên cứu về mô hình dựa trên quá trình vật lý như: SWMM (Storm Water Managerment Model), NWS (Nation Weather Service River Forecast Systerm), NAM model (Nedbor Afstromnings), TOP model, IHDM (Institute of Hydrology Distributed Model), Xinanjiang[27], SSARR (Streamflow Synthesis and Reservoir Regulation) [23]… tất cả những mô hình này đã và đang được cải tiến đáng kể. SWM được cải tiến thành HSPF (Hydrological Simulation Program-Fortran). Xinanjiang được phát triểu thành FRASC (Flow-Routed Accumulation Sinmulation in a Catchment) [27]. Ngày nay, sư phát triển các mô hình mới hay cải tiến mô hình trước đây vẫ đang diễn ra. Liên quan trực tiếp đến đề tài nghiên cứu, trên thế giới có một số nghiên cứu trong thời gian gần đây, điển hình như: 1. Phát triển các mô hình thuỷ văn – kinh tế để giải các bài toán về sự phân bố tối ưu các kiểu sử dụng nước cũng như định ra các mức phí thích hợp đối với khai thác sử dụng nước và gây ô nhiễm nước[21]; 2. Ứng dụng MIKE BASIN xây dựng chiến lước quản lý tài nguyên nước lưu vực sông[17]; 3. Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 NAM đánh giá mưa – dòng chảy lưu vực sông Layang; 4. Các nguồn tài nguyên nước và ô nhiễm của sông Kok lưu vực ở miền bắc Thái Lan và Myanmar đã được phân tích bằng cách sử dụng MIKE BASIN và LOAD. 2.2 Trong nước Ở Việt Nam, vấn đề ứng dụng mô hình toán trong quản lý tổng hợp lưu vực sông nói chung và quản lý tài nguyên nước nói riêng đã được nhiều tổ chức, nhiều cá nhân quan Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 4 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường tâm nghiên cứu từ những năm 60, qua việc uỷ ban sông Mekong ứng dụng các mô hình như SSARR[23] (Rokwood D.M Vol 1- 1968) và mô hình toán triều của Hà Lan vào tính toán, dự báo dòng chảy sông Mekong. Song, chỉ sau ngày miền nam giải phóng (1975), đất nước thống nhất thì phương pháp này mới ngày càng thực sự trở thanh công cụ quan trọng trong tính toán, dự báo thuỷ văn ở nước ta. Liên quan trực tiếp đến đề tài nghiên cứu, trong nước có một số nghiên cứu trong thời gian gần đây, điển hình như: 1. Đề tài cấp nhà nước KHCN.07.17 “Xây dựng một số cơ sở khoa học phục vụ cho việc quản lý thống nhất và tổng hợp môi trường nước lưu vực sông Đồng Nai”[8] do viện môi trường và tài nguyên chủ trì thực hiện giai đoạn 19992000. 2. Đề tài nghiên cứu thể nghiệm “Đánh giá tài nguyên nước mặt lưu vực sông Lá Buông”[3] do viện Quy hoạch thuỷ lợi Nam bộ thực hiện từ tháng 3 năm 2006. Đề tài đã nghiên cứu một số vấn đề chính như sau: • Sử dụng các công cụ nghiên cứu cần thiết (mô hình toán như mô hình mưa dòng chảy NAM, mô hình toán cân bằng nước MIKE BASIN, mô hình chất lượng nước MIKE BASIN – WQ, mô hình thuỷ lực MIKE 11, mô hình lũ MIKE FLOOD) mô phỏng, phân tích, đánh giá tài nguyên nước mặt trên lưu vực; • Dự báo nhu cầu sử dụng nước lưu vực theo các phương án phát triển; • Xây dựng các giải pháp và phương án khai thác nguồn nước lưu vực; • Xây dựng và đề xuất các giải pháp bảo vệ tài nguyên nước lưu vực. 3. Đề tài cấp Nhà nước KC.08.04 “Nghiên cứu xây dựng mô hình quản lý tổng hợp tài nguyên và môi trường lưu vực sông Đà”[9] do Viện Khoa học Thủy lợi chủ trì và TS. Nguyễn Quang Trung làm chủ nhiệm đề tài, thực hiện từ 10/2001 đến tháng 9/2004. Đề tài này đã xây dựng được bộ hồ sơ lưu vực sông Đà, xây dựng phương pháp luận và đề xuất 2 mô hình quản lý tổng hợp lưu vực sông Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 5 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đà: Mở rộng mô hình quản lý quy hoạch lưu vực sông Hồng (mô hình pháp lý) và Mô hình quản lý tổng hợp tài nguyên và môi trường lưu vực sông Đà. 4. Đề tài cấp Nhà nước KC.08.05 “Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học và đề xuất các giải pháp bảo vệ và sử dụng hợp lý tài nguyên nước vùng Tây Nguyên”[2] do Trường Đại học Mỏ - Địa chất chủ trì và PGS.TS. Đoàn Văn Cánh làm chủ nhiệm đề tài, thực hiện từ 10/2001 đến tháng 9/2004. Những kết quả chính của đề tài là đánh giá tiềm năng nước ở Tây Nguyên và đề xuất các giải pháp khai thác hợp lý các nguồn nước để chống hạn như giải pháp xây dựng các hồ chứa, giải pháp tăng cường trữ lượng tĩnh (bể chứa nước ngầm nhân tạo). 5. Đề tài cấp nhà nước KC.08.18/06-10 “Quản lý tổng hợp lưu vực và sử dụng hợp lý tài nguyên nước hệ thống sông Đồng Nai”[4] do PGS.TS. Đỗ Tiến Lanh - Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam chủ trì triển khai thực hiện (2007 - 2010). Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng được cơ chế phù hợp nhằm chia sẻ nguồn nước, giải quyết xung đột về sử dụng nguồn nước, vận hành hệ thống hồ chứa tại lưu vực và đề xuất được các giải pháp khả thi nhằm sử dụng hợp lý và kiểm soát ô nhiễm tài nguyên nước lưu vực sông Đồng Nai. 2.3 Thảo luận về mô hình toán trong nghiên cứu tài nguyên nước Các mô hình toán thuỷ văn ngày càng tỏ ra có nhiều ứng dụng hiệu quả trong các lĩnh vực sản xuất và đời sống cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ máy tính và phương pháp tính, các mô hình ngày càng được hoàn thiện hơn và nâng cao độ chính xác, giải quyết hiệu quả các bài toán tính toán, dự báo, quy hoạch và quản lý tài nguyên nước. Có thể phân làm hai lĩnh vực ứng dụng chính đó là ứng dụng trong dự báo tính toán thuỷ văn và trong tính toán thuỷ lợi. Mô hình toán được ứng dụng để giải quyết có hiệu quả các bài toán của thực tế. Có mấy nội dung chính như sau: 2.3.1 Về quy hoạch hệ thống nguồn nước Các mô hình cho phép mô phỏng hệ thống lưu vực với các phương án khác nhau, và từ đó rút ra các kết luận về số các công trình cần xây dựng, vị trí công trình cũng như Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 6 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường quy mô kích thước của nó trong hệ thống. Hiệu quả mô hình được cân nhắc trên tác động tổng hợp của các nhân tố trên lưu vực. Mô hình toán cho phép xét đến tác động tổng hợp này, đồng thời nó cung cấp đầu vào cho các bài toán quy hoạch đáng tin cậy. 2.3.2 Về điều hành hệ thống Các công trình hoạt động trên lưu vực có liên hệ với nhau, vì vậy điều hành hệ thống nguồn nước là một bài toán tổng hợp phức tạp. Mô hình toán cho phép xem xét đến các giải pháp cụ thể bằng cách phân tích chi tiết các khả năng nước đến, yêu cầu nước dùng, lợi ích kinh tế xã hội và khả năng đảm bảo của công trình. Mô hình toán cũng đảm bảo dự báo khả năng nước đến, một đầu vào đặc biệt quan trọng để có thể điều chỉnh biểu đồ điều phối, nâng cao hiệu quả hoạt động của công trình. Mô hình toán tất định cũng như ngẫu nhiên làm tăng độ chính xác dự báo phục vụ vận hành các công trình thuỷ lợi. Nếu thực hiện việc nối mạng, thu thập và truy cập thông tin nhanh chóng thì hiệu quả điều hành hệ thống càng được nâng cao. 2.3.3 Về quản lý lưu vực Mô hình toán cho phép tính toán các nguồn nước của các lưu vực trong các điều kiện khai thác khác nhau, cũng như khi tác động của con người lên cảnh quan của lưu vực. Về mặt này mô hình toán có thể thay thế cho mô hình vật lý, thay thế cho các bãi dòng chảy thực nghiệm tốn kém, làm sáng tỏ vai trò của các nhân tố địa vật lý đến dòng chảy cũng như ảnh hưởng của dòng chảy đến các đặc trưng của lưu vực. Từ các điều kiện khai thác của lưu vực, mô hình toán giúp cho việc dự báo tính toán các quá trình xói trên lưu vực, khả năng bồi lấp hồ chứa. Từ đó xây dựng các phương án phòng chống có hiệu quả, bảo vệ lưu vực và tăng tuổi thọ công trình. Trên cơ sở phân tính bằng mô hình toán, đề xuất các biện pháp xây dựng công trình đảm bảo khai thác lưu vực hợp lý và bền vững. Một lưu vực không chỉ nằm trong một nước mà thường bao gồm nhiều quốc gia. Việc khai thác sử dụng của một nước phụ thuộc rất nhiều vào chủ quan của con người và các hoạt động của các quốc gia trên cùng lưu vực. mô hình toán giúp ta tìm được lời Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 7 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường giải tổng hợp cho việc lợi dụng nguồn nước chung, cũng như ảnh hưởng của từng hoạt động của từng quốc gia đến lưu vực. Từ đó có sự hợp tác liên quốc gia lâu dài, có giải pháp phối hợp chung để khai thác lưu vực có lợi nhất, không làm ảnh hưởng lẫn nhau. Các mô hình toán còn là một công cụ rất thuận tiện để nghiên cứu thuỷ văn, nhất là đánh giá các nhân tố ảnh hưởng đến dòng chảy không thua kém gì các mô hình vật lý. Các lời giải từ mô hình có thể định hướng cho những công trình nghiên cứu có giá trị thực tế[7]. Tuy nhiên, như đã trình bày ở trên, mô hình toán không phải lúc nào hay mô hình nào cũng thích hợp cho bất cứ vùng nào. Hay nói đúng hơn không có mô hình nào mang tính chất toàn cầu. Như vậy, việc nghiên cứu thuỷ văn ứng dụng đầy đủ về lưu vực Thác Mơ để phát huy hiệu quả việc xây dựng công trình, tận dụng tối đa nguồn nước là việc làm cấp bách hiện nay. 2.4 Đánh giá nhận xét Nhìn chung, những công trình nghiên cứu trong và ngoài nước đã đạt được nhiều kết quả to lớn cả về cơ sở khoa học và ứng dụng thực tiễn. Phương pháp mô hình toán được xem như là một công cụ quan trọng trong các nghiên cứu, đánh giá, quản lý, phân bố và phát triển nguồn nước. Tuy nhiên, ở Việt Nam việc ứng dụng mô hình toán trong nghiên cứu thuỷ văn còn nhiều hạn chế do thiếu về kinh phí, tài liệu đầu vào cho mô hình thường không liên tục, đủ dài và đồng nhất… Do vậy, việc ứng dụng mô hình toán thuỷ văn đối với điều kiện thực tế của Việt Nam cần được mở rộng nghiên cứu ở các vùng địa lý khác nhau, để cung cấp công cụ trợ giúp cho các nhà quản lý, người làm công tác quy hoạch, xây dựng phương án, kế hoạch quản lý và sử dụng tài nguyên dễ dàng và hiệu quả hơn. 3. Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu 3.1 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng mô hình thuỷ văn thích hợp cho lưu vực Thác Mơ, nơi mà tài nguyên nước đang được khai thác mạnh mẽ theo không gian cho các lĩnh vực khác nhau Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 8 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường từ đó mô phỏng dòng chảy và đánh giá tiềm năng nguồn nước phục vụ cho phát triển bền vững kinh tế xã hội vùng hưởng lợi. 3.2 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong lưu vực Thác Mơ có toạ độ 11 035’ – 120 17’ vỹ độ Bắc và 107 000’ – 107 030’ kinh độ Đông, diện tích tự nhiên 2,215 km2 (hình 1). Hì nh 1 Phạm vi không gian vùn g nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu cấu trúc, đặc điểm, chế độ thuỷ văn, tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ. Tiến hành nghiên cứu ứng dụng mô hình toán thích hợp cho lưu vực Thác Mơ. 3.3 Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về điều kiện tự nhiên và KT – XH vùng nghiên cứu; Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ”