Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng mô hình mike 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông thác huống

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11 MÔ PHỎNG NGUỒN NƯỚC PHỤC VỤ VẬN HÀNH HỆ THỐNG THỦY NÔNG THÁC HUỐNG CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC CẤN THỊ THANH HIỀN HÀ NỘI, NĂM 2018 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11 MÔ PHỎNG NGUỒN NƯỚC PHỤC VỤ VẬN HÀNH HỆ THỐNG THỦY NÔNG THÁC HUỐNG CẤN THỊ THANH HIỀN CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN MÃ SỐ: 60440224 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. TRƯƠNG VÂN ANH HÀ NỘI, NĂM 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Cán bộ hướng dẫn chính: TS.Trương Vân Anh Cán bộ hướng dẫn phụ: Cán bộ chấm phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Kiên Dũng Cán bộ chấm phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Thanh Hùng Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 17 tháng 9 năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các thông tin tham khảo của các tác giả đã được trích dẫn đầy đủ nguồn trong luận văn theo đúng quy định của cơ sở đào tạo. Hà Nội, ngày 18 tháng 7 năm 2018 Tác giả luận văn Cấn Thị Thanh Hiền ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Khoa Khí Tượng Thủy Văn, Trường Đại học Tài Nguyên và Môi Trường Hà Nội đã truyền thụ kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tập vừa qua, đặc biệt là cô TS. Trương Vân Anh đã tạo điều kiện, hướng dẫn và chỉ dạy rất tận tình để tôi hoàn thành đề tài này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Lãnh đạo Viện Quy hoạch và Thiết kế nông nghiệp, Lãnh đạo Trung tâm Phát triển bền vững Nông nghiệp Nông thôn đã cho phép, tạo điều kiện về thời gian, động viên tinh thần cho tôi hoàn thiện luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn đến Công ty TNHH MTV KTCTTL Sông Cầu, Chi cục thống kê các huyện đã giúp đỡ tôi trong tiếp cận thông tin, tài liệu liên quan đến luận văn. Cuối cùng tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã cùng chia sẻ, giúp đỡ, động viên, khích lệ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. Trong khuôn khổ của đề tài : “Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống”, với sự giúp đỡ của các thầy cô và các bạn cùng khả năng và sự cố gắng nỗ lực của bản thân tôi đã hoàn thành việc nghiên cứu của đề tài này, nhưng do thời gian và lượng kiến thức thực tế còn hạn chế, không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình nghiên cứu. Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự đóng góp quý báu của thầy cô giáo, các chuyên gia và các bạn để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 18 tháng 7 năm 2018 Cấn Thị Thanh Hiền iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ...............................................................................................................................................ii MỤC LỤC .....................................................................................................................................................iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT................................................................................................................vi DANH MỤC HÌNH ................................................................................................................................. viii MỞ ĐẦU......................................................................................................................................................... 1 1.Tính cấp thiết của đề tài................................................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................................................... 2 3. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................................................... 2 3.1. Phạm vi không gian.................................................................................................................. 2 3.2. Phạm vi thời gian...................................................................................................................... 2 3.3. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................................................. 3 4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................................... 3 5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................................ 3 6. Bố cục luận văn............................................................................................................................ 4 CHƯƠNG 1 ................................................................................................................................................... 5 TỔNG QUAN VỀ VẤN NGHIÊN CỨU................................................................................................ 5 1.1. Hệ thống tài nguyên nước và quản lý hệ thống tài nguyên nước ........................................ 5 1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam................................................................... 6 1.2.1. Nghiên cứu trên thế giới ....................................................................................................... 6 1.2.2. Nghiên cứu tại Việt Nam...................................................................................................... 7 1.2.3. Một số nghiên cứu đã có trên hệ thống ............................................................................... 9 1.3. Tổng quan về vùng nghiên cứu............................................................................................. 10 1.3.1. Vị trí địa lý [15] ................................................................................................................... 10 1.3.2. Địa hình ................................................................................................................................ 11 1.3.3. Địa chất, thổ nhưỡng ........................................................................................................... 12 1.3.4. Thảm phủ thực vật [14] ...................................................................................................... 12 1.3.5. Đặc điểm khí tượng thủy văn ............................................................................................. 13 1.3.6. Hiện trạng Hệ thống thủy nông Thác Huống và công trình trên hệ thống sông........... 15 1.3.7. Hiện trạng điều kiện tự nhiên kinh tế xã hội..................................................................... 20 iv CHƯƠNG2……...………………………………...………………………………21 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU ................................................................22 2.1. Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 11 ....................................................................................... 22 2.1.1. Mô hình MIKE 11............................................................................................................... 22 2.1.2. Cấu trúc của mô hình .......................................................................................................... 22 2.1.3. Hệ phương trình cơ bản trong mô hình MIKE 11 ........................................................... 22 2.2. Công trình điều khiển trong hệ thống (kiểm soát hệ thống)............................................... 24 2.2.1. Vị trí (Location) .................................................................................................................. 24 2.2.2. Thuộc tính (Attributes) bao gồm ....................................................................................... 25 2.2.3. Định nghĩa Kiểm soát (Control Definitions) .................................................................... 25 2.3. Yêu cầu về số liệu của mô hình ............................................................................................ 28 2.4. Các bước thực hiện................................................................................................................. 28 CHƯƠNG 3 .................................................................................................................................................29 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ...................................................................................29 3.1. Đánh giá hiện trạng vận hành hệ thống................................................................................ 29 3.1.1. Đánh giá hiện trạng vận hành hệ thống............................................................................. 29 3.1.2. Xây dựng phương án vận hành cho hệ thống................................................................... 31 3.1.3. Đánh giá nhu cầu nước trên hệ thống thủy nông Thác Huống ....................... 33 3.2. Nghiên cứu đánh giá tình hình cấp nước tưới hệ thống thủy nông Thác Huống bằng mô hình MIKE 11 ................................................................................................................................ 37 3.2.1. Thu thập số liệu và thiết lập mô hình toán ........................................................................ 37 3.2.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực ...................................................................... 41 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................................................59 1. Kết luận....................................................................................................................................... 59 2. Kiến nghị .................................................................................................................................... 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................................60 v TÓM TẮT LUẬN VĂN + Họ và tên học viên: Cấn Thị Thanh Hiền + Lớp: CH1T Khóa: I + Cán bộ hướng dẫn: TS.Trương Vân Anh + Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống + Tóm tắt: Hệ thống thủy nông Thác Huống là một trong tổng số 75 công trình trên cả nước, có nhiệm vụ tưới cho 52.520 ha đất canh tác. Tuy nhiên do yêu cầu phát triển giai đoạn hiện tại và trong tương lai, đã bộc lộ những hạn chế và nhiều vấn đề tồn tại cần khắc phục đó là lượng nước tưới không đủ để vận hành hệ thống không theo kế hoạch đề ra, thực tế cho thấy một số vùng tưới ở phía hạ nguồn vẫn không đủ nước tưới so với kế hoạch được đặt ra. Luận văn này tập trung vào việc mô phỏng thực trạng nguồn nước dựa vào số liệu thực đo và sử dụng công cụ mô hình thủy lực MIKE 11, dựa vào kết quả mô phỏng để nghiên cứu đưa ra giải pháp vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống một cách hiệu quả nhất. Kết quả của nghiên cứu đạt được là thiết kế thành công phương án vận hành HTTN Thác Huống. Từ khóa: Vận hành hệ thống; Hệ thống thủy nông; Hệ thống tài nguyên nước; Thác Huống; MIKE 11. + Abstract: Thac Huong irrigation system is one of the 75 systems in Viet Nam, which is responsible for irrigating 52,520 ha of cultivated land. However, for current and future development requirements, it’s said to express many limitations and problems that need to be overcome, that is not enough water to operate the system following tentative plan. In fact, in some areas of the downstream, irrigation is not sufficient as planned. Dissertation focuses on the simulation of actual water status based on the measured data and using the MIKE 11 hydraulic modeling tool, based on simulated results to investigate solutions for Thac Huong irrigation system operationin the most effective way. The study result is that the water level calculated at all locations in Thac Huong irrigation system will be at suitable water level to irrigate the areas during the key irrigation period. The research result is successful design of the Thac Huong irrigation system. Keywords: System operation;Irrigation system; Water resources system; Thac Huong; MIKE 11. vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BĐKH CLN Biến đổi khí hâu Chất lượng nước GL CM CP CS Gate level (Độ mở cửa cống) Calculation mode (Phương pháp tính toán) Control points (Giá trị của điểm kiểm soát) Control strategy (Một chiến lược kiểm soát) GDP Tổng sản phẩm nội địa HTTL Hệ thống thủy lợi HTTNN Hệ thống tài nguyên nước QCVN 08: 2008/BTNMT TT Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước mặt Thị trấn TNHH MTV KTCTTL Trách nhiệm hữu hạn một thành viên kỹ thuật công trình thủy lợi TP TPo UBND Thành phố Target point (Giá trị của điểm mục tiêu) Ủy ban nhân dân vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Hiện trạng kênh Trôi ........................................................................................... 18 Bảng 1.2. Hiện trạng kênh N5. ............................................................................................ 18 Bảng 1.3. Bảng thống kê các công trình sử dụng tính toán trong hệ thống. ........................ 19 Bảng 3.1: Lịch tưới vụ chiêm xuân giai đoạn I năm 2014................................................... 29 Bảng 3.2: Lịch tưới vụ chiêm xuân giai đoạn II năm 2014 ................................................. 30 Bảng 3.3 : Phương án vận hành cống theo lịch tưới ............................................................ 31 Bảng 3.4: Thống kê tài liệu địa hình trên hệ thống thủy nông Thác Huống........................ 38 Bảng 3.5: Biểu thời gian tính toán được sử dụng trong mô hình......................................... 41 Bảng 3.6: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình ..................... 43 Bảng 3.7: Bộ thông số (thông số nhám) của mô hình cho hệ thống thủy nông Thác Huống ............................................................................................................................................. 44 Bảng 3.8: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng kiểm định bộ thông số của mô hình ...................... 44 viii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Bản đồ ranh giới hệ thống thủy nông Thác Huống.............................................. 11 Hình 3.1: Phương án vận hành cống theo lịch tưới ............................................................. 33 Hình 3.2: Vận hành cống Lữ Vân và nhu cầu nước của ...................................................... 34 khu tưới Hạ Lữ Vân ............................................................................................................. 35 Hình 3.3: Vận hành cống Lăng Trình và nhu cầu nước tưới của......................................... 35 khu Thượng An Cập ............................................................................................................ 35 Hình 3.4: Vận hành cống đầu kênh N3 và nhu cầu nước tưới của ...................................... 36 khu tưới N3 .......................................................................................................................... 36 Hình 3.5: Vận hành cống An Cập, cống đầu kênh N3 và nhu cầu nước tưới của ............... 36 khu Hạ An Cập .................................................................................................................... 36 Hình 3.6: Vận hành cống đầu kênh N5 và nhu cầu nước tưới của khu tưới Kênh N5 ........ 37 Hình 3.9 :Thiết lập hệ thống cống trên Hệ thống thủy nông Thác Huống .......................... 40 Hình 3.11: Kết quả tính toán và thực đo quá trình mực nước tại cống Lữ Vân (03/01/2014 – 30/05/2014) ....................................................................................................................... 42 Hình 3.12: Kết quả tính toán và thực đo quá trình mực nước tại cống An Cập (03/01/2014 – 30/05/2014) ....................................................................................................................... 43 Hình 3.14: Kết quả tính toán và thực đo quá trình mực nước tại cống Lữ Vân (02/01/2015 – 30/05/2015) ....................................................................................................................... 46 Hình 3.15: Kết quả tính toán và thực đo quá trình mực nước tại cống An Cập (02/01/2015 – 30/05/2015) ....................................................................................................................... 46 Hình 3.16: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng Lũ Yên GD1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu .......... 48 Hình 3.17: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng Lữ Vân GD1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu .......... 49 Hình 3.18 Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Hạ Lữ Vân GD1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu .................. 50 Hình 3.19: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng An Cập GD1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu .......... 51 Hình 3.20: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Hạ An Cập GĐ1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu .................. 52 Hình 3.21: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng Lũ Yên GD2; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu .......... 53 Hình 3.22: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng Lữ Vân GD2; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu .......... 54 Hình 3.23: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán(màu xanh nước biển) tại khu Hạ Lữ vân GD2............................................................................. 55 Hình 3.24: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng An Cập GD2; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu .......... 56 Hình 3.25: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Hạ An Cập GD2; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu .................. 57 1 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài Nước là tài nguyên đặc biệt quan trọng, là thành phần thiết yếu của sự sống và môi trường, là điều kiện để khai thác và sử dụng tài nguyên khác và là nguyên liệu không thể thay thế của các ngành kinh tế. Ngoài lợi ích mà nước đem lại, nước cũng có thể gây những tai họa khủng khiếp cho dân sinh, kinh tế và môi trường. Tài nguyên nước luôn vận động và luân hồi nhưng hữu hạn. Vì thế việc khai thác xây dựng và quản lý hiệu quả các công trình thuỷ lợi để phát huy những mặt lợi, hạn chế những tác hại của nước, vừa là giải pháp, vừa là mục tiêu hết sức quan trọng đảm bảo sự nghiệp phát triển bền vững nông nghiệp và nông thôn trong thời kỳ mới. Với mục tiêu đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá, xây dựng nền kinh tế độc lập tự chủ, đưa nước ta cơ bản trở thành một nước công nghiệp theo hướng hiện đại vào năm 2020; muốn vậy trước hết nông nghiệp và nông thôn phải phát triển lên một trình độ mới bằng việc đổi mới cơ cấu cây trồng, vật nuôi, tăng giá trị thu được trên một đơn vị diện tích, ứng dụng tiến bộ khoa học và công nghệ; phát triển công nghiệp, dịch vụ, các làng nghề ở nông thôn, tạo nhiều việc làm mới. Để đáp ứng những mục tiêu đó, công tác thuỷ lợi phục vụ sản xuất nông –lâm – ngư - diêm nghiệp và kinh tế nông thôn đang đứng trước những thời cơ và thách thức mới. Đó là việc đảm bảo nước để ổn định cho 4 triệu ha đất có điều kiện sản xuất lúa, giữ vững an ninh lương thực với sản lượng lương thực có hạt trên 50 triệu tấn vào năm 2015; có các giải pháp thuỷ lợi hiệu quả phục vụ cho 2,97 triệu ha cây công nghiệp và cây ăn quả lâu năm, cho 0,68 triệu ha cây công nghiệp hàng năm; cung cấp nước cho các cơ sở sản xuất tiểu thủ công nghiệp, các làng nghề nông thôn, cung cấp nước sạch cho cư dân nông thôn; xây dựng các hệ thống cung cấp nước để làm muối chất lượng cao và nuôi trồng thuỷ, hải sản với qui mô lớn; xử lý nước thải từ các vùng nuôi trồng thuỷ sản tập trung, từ các làng nghề, từ các cơ sở sản xuất công nghiệp dịch vụ ở nông thôn. Hiện nay Việt Nam đã và đang xây dựng nhiều các công trình tài nguyên nước nhằm điều hòa nguồn nước phục vụ cho các lĩnh vực bao gồm sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp....bước đầu đã đem lại được nhiều thành tựu đáng kể. 2 Hệ thống thủy nông Thác Huống cũng là một trong tổng số 75 công trình trên cả nước, có nhiệm vụ tưới cho 52.520 ha đất canh tác. Tuy nhiên do yêu cầu phát triển giai đoạn hiện tại và trong tương lai, đã bộc lộ những hạn chế và nhiều vấn đề tồn tại cần khắc phục đó là việc vận hành hệ thống không theo kế hoạch, thực tế cho thấy một số vùng tưới ở phía hạ nguồn vẫn không đủ nước tưới so với kế hoạch được đặt ra. Từ đó bài toán cần đưa ra là đề xuất được các giải pháp cho công trình tài nguyên nước nhằm khai thác, sử dụng hợp lý, bền vững trong giai đoạn đến năm 2020, định hướng đến năm 2030. Để giải quyết việc điều tiết nguồn nước trong hệ thống thủy nông Thác Huống, nghiên cứu tìm ra một mô hình thủy văn thích hợp mô phỏng thực trạng nguồn nước, đưa ra các giải pháp vận hành hệ thống một cách hiệu quả. Vì vậy, học viên lựa chọn thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống”. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Mô phỏng hệ thống thủy nông Thác Huống trong giai đoạn trọng điểm của mùa kiệt (từ tháng 1 đến tháng 5). - Đề xuất các phương án vận hành hệ thống trong giai đoạn trọng điểm của mùa kiệt. 3. Phạm vi nghiên cứu 3.1. Phạm vi không gian - Hệ thống thủy nông Thác Huống trên địa bàn 04 huyện thuộc hai tỉnh Bắc Giang và Thái Nguyên bao gồm: - Tỉnh Bắc Giang: Huyện Tân Yên, Việt Yên, Hiệp Hòa và một phần của thành phố Bắc Giang. - Tỉnh Thái Nguyên: Huyện Phú Bình. 3.2. Phạm vi thời gian - Mô phỏng lại quá trình cung cấp nước phục vụ cho tưới qua các năm 2014, 2015. 3 3.3. Đối tượng nghiên cứu - Hệ thống thủy nông Thác Huống trên địa bàn tỉnh Bắc Giang, Thái Nguyên. - Toàn bộ hệ thống bao gồm các hạng mục công trình chính như sau: Tuyến kênh chính (lấy nước từ công trình đầu mối); kênh Trôi và kênh N5 là kênh cấp I (gọi là kênh nhánh, lấy nước từ kênh chính để phục vụ cho 1 huyện hoặc liên huyện); kênh N3 là kênh cấp II (gọi là mương cái, lấy nước từ kênh nhánh phục vụ nước cho diện tích đất đai tại 1 xã hoặc liên xã) ngoài ra còn có các đập, tràn và hệ thống cống. 4. Nội dung nghiên cứu - Tìm hiểu hệ thống: vị trí địa lý; địa hình; đặc điểm khí tượng thủy văn; hiện trạng hệ thống và các công trình chính trên hệ thống. - Thu thập số liệu: dữ liệu địa hình (Bản đồ hệ thống; Mặt cắt ngang); dữ liệu thủy văn (Mực nước thực đo, lưu lượng thực đo) và các chuỗi số liệu vận hành cống. - Mô hình hóa hệ thống: - Mô phỏng kịch bản vận hành hệ thống: ứng dụng mô hình MIKE 11 mô phỏng quy trình vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống trong giai đoạn tưới trọng điểm. 5. Phương pháp nghiên cứu Để đạt được mục tiêu và nội dung công việc trên, các phương pháp nghiên cứu chính sau đây sẽ được sử dụng trong luận văn: - Phương pháp kế thừa: Phân tích đánh giá, tổng hợp và thừa kế các nội dung phù hợp phục vụ cho các nội dung nghiên cứu của luận văn; - Phương pháp phân tích thống kê: Thu thập xử lý và phân tích số liệu, tài liệu phục vụ luận văn; - Phương pháp mô hình hóa: Ứng dụng mô hình MIKE 11 (mô hình thủy lực) trong mô phỏng điều tiết hệ thống thủy nông Thác Huống; - Phương pháp tham vấn: Xin ý kiến các chuyên gia trong lĩnh vực nghiên cứu. 4 6. Bố cục luận văn Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị thì nội dung chính của luận văn bao gồm 3 nội dung chính như sau: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN NGHIÊN CỨU 1.1. Hệ thống tài nguyên nước và quản lý hệ thống tài nguyên nước Hệ thống tài nguyên nước (HTTNN) là một hệ thống phức tạp bao gồm nguồn nước, các công trình khai thác tài nguyên nước, các yêu cầu về nước cùng với mối quan hệ tương tác giữa chúng và sự tác động của môi trường lên nó.[5] Các công trình hệ thống thành phần của HTTNN bao gồm: HTTNN mặt, HTTNN ngầm, hệ thống cấp thoát nước và xử lý nước thải đô thị, hệ thống kiểm soát lũ, hệ thống tưới tiêu. Trong bài toán này hệ thống tưới tiêu đóng vai trò quan trọng, là hai loại hệ thống đặc trưng ở nước ta. Trong đó hệ thống tưới bao gồm công trình đầu mối, công trình dẫn nước (các kênh dẫn), công trình điều tiết (các công trình dọc hệ thống giúp điều tiết lại nguồn nước theo yêu cầu) và khu tưới. Công trình đầu mối có thể là hồ chứa, đập dâng nước, trạm bơm hoặc cống lấy nước tự chảy từ sông tự nhiên vào đồng. [5] Vận hành hệ thống tưới có tầm quan trọng rất lớn đối với đời sống con người và sản xuất, nó ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển kinh tế - xã hội. Khi hệ thống tưới đươc vận hành hiểu quả nó đem lại lợi ích thiết thực như: Cung cấp đủ lượng nước dùng cho người sử dụng, giúp tiết kiệm lượng nước trong quá trình khai thác từ đó giảm một phần chi phí và giá thành mang lại hiệu quả kinh tế cao, giúp bảo vệ môi trường, phòng chống giảm nhẹ thiên tai. Ngoài ra, vận hành hiệu quả HTTNN nói chung, hệ thống tưới nói riêng cũng góp phần tích cực cho công tác cải tạo đất, chống hiện tượng sa mạc hoá giúp những vùng đất khô cằn trở thành những vùng đất trù phú, giúp cải thiện chất lượng môi trường và điều kiện sống của nhân dân nhất là những vùng khó khăn về nguồn nước, tạo ra cảnh quan mới tốt đẹp hơn. Hiện nay do quá trình biến đổi khí hậu nên nước ta chịu ảnh hưởng nhiều bởi các hình thế thời tiết xấu như hạn hán, lũ lụt... cũng gây ảnh hưởng tiêu cực đến HTTNN. Do đó việc ứng dụng các mô hình thủy văn, thủy lực áp dụng vào nghiên cứu và quản lý 6 hệ thống tài nguyên nước nhằm phục vụ đa ngành trong đó có ngành nông nghiệp tạo điều kiện phát triển kinh tế, tăng thu nhập GDP cho toàn quốc. 1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam 1.2.1. Nghiên cứu trên thế giới Trong nghiên cứu hệ thống tưới tiêu Mahanadi, một dự án thuỷ lợi lớn ở Trung Ấn Độ, được sử dụng như là một công cụ lập kế hoạch cho hệ thống tưới tiêu hồ chứa Mahanadi, một công cụ hỗ trợ quyết định và là một phần mở rộng của hệ thống mô hình thủy lực - thủy văn kết hợp cho sự vận hành của kênh. Bên cạnh đó các hệ thống mô hình MIKE 11 và MIKE SHE, cho các mô phỏng thủy lực và thủy văn tương ứng, nó có một mô đun tối ưu hóa để điều khiển các vận hành hệ thống kênh rạch. Kết quả cho thấy rằng các kênh thoát nước không hiệu quả và dẫn đến lãng phí một lượng đáng kể nước trong mùa mưa. Từ kết quả đó đồng tác giả: R.Singh, JC Refsgaard, L.Yde đã chỉ ra rằng việc áp dụng mô hình MIKE 11 vàMIKE SHE kết hợp với các hệ thống thủy lợi tối ưu hóa (IOS) là phương pháp rất hữu hiệu làm giảm sự lãng phí trong việc sử dụng nước nhờ đó mà tần suất tưới nhiều hơn, lượng nước tưới hiệu quả hơn trong kênh. Nghiên cứu tình huống cũng minh hoạ khả năng của hệ thống thủy lợi tối ưu hóa (IOS) kết hợp với các mô hình thủy lực - thủy văn là một công cụ hỗ trợ hữu hiệu để lập kế hoạch tối ưu hóa tưới tiêu.[3] Để thực hiện kiểm soát nhu cầu sử dụng nước theo thời gian tiến hành trên kênh thủy lợi tưới tiêu của tiểu bang Maricopa-Stanfield nguyên nhân do tài nguyên nước dành cho nông nghiệp ở vùng này vẫn còn hạn chế nên một phương pháp giúp việc sử dụng nguồn nước hiệu quả hơn đó chính là việc cải thiện quá trình vận chuyển nước từ các kênh tưới tiêu. Điều này có thể thực hiện bằng cách áp dụng các phương pháp điều khiển tự động kiểm soát các cửa trong kênh thủy lợi. Trong bài toán này đồng tác giả: PJ van Overloop, AJ Clemmens, RJ Strand, RMJ Wagemaker and T.Bautista đã sử dụng mô hình (MPC) là một trong những phương pháp kiểm soát tiên tiến nhất, mô hình này đã đáp ứng được yêu cầu của bài toán cung cấp nước tưới cho kênh WM ở Maricopa-Stanfield và thoát nước 7 cho quận đó. Các bài toán kiểm tra cho thấy nước được phân phối hiệu quả đến người sử dụng và độ chênh lệch mực nước ở tất cả các điểm là nhỏ. Việc kiểm soát được so sánh với các kết quả từ phương pháp điều khiển tuyến tính tiên tiến bậc thang, cũng được thử nghiệm trên kênh thực tế.[2] Đối với các mạng lưới sông có nhiều cống và đập tràn cụ thể là trên lưu vực sông Yongdingxinhe ở Thiên Tân (Trung Quốc) các cán bộ thuộc phòng thí nghiệm Cảng và Kỹ thuật Đại Dương, Trường Kỹ thuật xây dựng, Đại học Thiên Tân và Viện nghiên cứu bảo tồn nước đã áp dụng thành công mô hình số dòng chảy không ổn định một chiều để giải quyết các bài toán đó là hoạt động của cống, thoát lũ trên sông. Mô hình này được áp dụng cho việc định tuyến lũ của sông Yongdingxinhe với việc xem xét điều kiện kiểm soát cống phức tạp. Kết quả cho thấy rằng kết quả xác minh bằng mô hình cơ bản trùng với dữ liệu thực đo. Vì vậy ứng dụng của mô hình cho mô phỏng số được thực hiện trên quy định kết hợp của nhiều cống có vai trò tích cực trong việc hướng dẫn xác định bố trí xây dựng cống và thực hiện xây dựng cống cho sông Yongdingxinhe.[1] 1.2.2. Nghiên cứu tại Việt Nam Trong việc đánh giá khả năng lấy nước của các cống tưới hệ thống thủy lợi Nam Thái Bình, đây là một trong những hệ thống thủy lợi lớn vùng ven biển đồng bằng Bắc Bộ, tác giả Nguyễn Thu Hiền đã ứng dụng mô hình MIKE 11 để mô phỏng khả năng lấy nước của các cống tưới hệ thống thủy lợi Nam Thái Bình với năm trung bình nước và năm ít nước với điều kiện hiện trạng và khi có xét đến kịch bản biến đổi khí hậu đến năm 2050. Kết quả tính toán cho thấy, dưới ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và nước biển dâng một số cống phía đầu hệ thống khả năng lấy nước có tăng lên nhưng một số cống thuộc hệ thống không thể lấy được nước do độ mặn vượt quá mức cho phép trong khi đó nhu cầu tưới lại tăng lên, vì vậy hệ thống không đủ đáp ứng yêu cầu. Trên cơ sở kết quả tính toán, đề xuất các giải pháp công trình và phi công trình nhằm tăng cường khả năng lấy nước của các cống thuộc hệ thống để đảm bảo nhu cầu dùng nước phục vụ sản xuất nông nghiệp cũng như nhu cầu dùng nước khác trong tương lai.[11] 8 Trong nghiên cứu giải pháp công trình lấy nước tự chảy cho sông Đáy, sông Nhuệ và sông Tô Lịch, tác giả Nguyễn Hữu Huế đã sử dụng mô hình HEC – RAS, để giải quyết bài toán cấp nước trong điều kiện bất lợi nhất khi mực nước sông Hồng giảm kỷ lục khiến hệ thống cống lấy nước đầu mối như Cẩm Đình, Liên Mạc 1 rơi vào tình trạng cạn trơ đáy kéo theo sức ép lấy và dẫn nước bị phụ thuộc vào cống Lương Phú và tuyến công trình dẫn nước tự chảy. Do đó trong nghiên cứu này, Nguyễn Hữu Huế đã chỉ ra không thể cấp nước cùng 1 lúc cấp đủ nhu cầu nước cho tất cả bốn sông trong khu vực nghiên cứu. Hệ thống các công trình điều tiết trong quá trình mô phỏng đã giúp cho việc kiểm soát lưu lượng nước đổ vào từng sông tùy theo nhu cầu và mục đích sử dụng. Việc phân chia nước cho từng sông được thực hiện bằng cách thay đổi chế độ đóng mở cửa van điều tiết các cống sao cho đạt hiệu quả cao nhất. Kết quả đạt được dù mực nước ở ngoài sông thấp nhất như đã từng xảy ra thì nước vẫn có thể được dẫn qua tuyến công trình mới xây dựng cấp đủ cho từng lưu vực sông nội đồng, đảm bảo điều kiện vận hành của hệ thống tưới trên các trục sông chính, đồng thời sông Tô Lịch vẫn được rửa sạch và làm hồi sinh theo đúng nghĩa của nó.[9] Bằng việc ứng dụng mô hình MIKE 11 để đánh giá khả năng làm việc lập quy trình vận hành của các cống thuộc hệ thống thủy lợi ngọt hóa Gò Công – Tiền Giang thích ứng với biến đổi khí hậu – nước biển dâng, tác giả Mai Đức Phú đã mô phỏng hóa hệ thống có mạng lưới kênh phức tạp dự án ngọt hóa Gò Công, đưa ra được phương án tính toán phù hợp vận hành cống theo chế độ thủy lực nhằm phục vụ nhu cầu nước tưới cho vùng dự án vào mùa khô, dự báo được khả năng nhiễm mặn trên sông cửa tiểu tạo cơ sở cho việc quyết định vận hành công trình phù hợp trong điều kiện biến đổi khí hậu.[7] Trong luận án: “Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học đề xuất giải pháp nhằm nâng cao năng lực và hiệu quả của hệ thống tiêu Bắc Nam Hà trong điều kiện biến đổi khí hậu nước biển dâng” của tác giả La Đức Dũng đã (1)Xây dựng được cơ sở khoa học cho cho việc đề xuất giải pháp quy hoạch các hồ điều hòa để điều tiết chống ngập; cải thiện môi trường, vi khí hậu; giảm áp lực bơm tiêu trên hệ thống Bắc Nam Hà trong 9 điều kiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng; (2) Xây dựng được phương pháp xác định tần suất mực nước sông thiết kế cho các trạm bơm tiêu nhằm tiết kiệm điện năng, giảm thiểu chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả hệ thống tiêu động lực. [6] Tác giả Nguyễn Thị Việt Hồng với đề tài “Nghiên cứu cải tiến phương pháp xác định mô hình mưa và lưu lượng tiêu thiết kế cho các hệ thống tiêu vùng đồng bằng Bắc Bộ”. Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được ứng dụng trong công tác quy hoạch, thiết kế các hệ thống tiêu thoát nước mưa khu vực dân cư, đô thị và hệ thống tiêu nông nghiệp – dân cư vùng đồng bằng Bắc Bộ. Sử dụng các bản đồ đẳng trị mưa để xác định lượng mưa tại các vị trí không có trạm đo mưa sẽ khắc phục được hạn chế hiện nay khi tính toán quy hoạch, thiết kế các hệ thống tiêu vùng đồng bằng Bắc Bộ. [8] 1.2.3. Một số nghiên cứu đã có trên hệ thống Trong nghiên cứu tính toán cân bằng nướccho hệ thống lưu vực sông Cầu, tác giả Nguyễn Phương Nhung đã sử dụng mô hình thủy văn MIKE NAM, mô hình SSTARR... để khôi phục, xử lý số liệu trong điều kiện thiếu số liệu đo đạc thủy văn chi tiết, cụ thể là số liệu dòng chảy của lưu vực từ đó tính toán nhu cầu nước tại các tiểu khu trong hệ thống lưu vực sông Cầu trong các lĩnh vực như cấp nước cho nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt, chăn nuôi, giao thông thủy, bảo vệ môi trường, thương mại dịch vụ, du lịch, nuôi trồng thủy sản .... trên cơ sở nhu cầu sử dụng nước cho sinh hoạt và các ngành khác thì Nguyễn Phương Nhung đã sử dụng mô hình MIKE Basin, để tính toán cân bằng nước cho hệ thống lưu vực sông Cầu. Kết quả của nghiên cứu đạt được là đánh giá được sự thiếu hụt nước trên hệ thống sông Cầu trong năm hiện trạng 2007 và dự báo lượng nước thiếu hụt đến năm 2015, từ đó đưa ra giải pháp công trình và phi công trình nhằm cân bằng nước sử dụng trong các ngành nghề tại địa phương.[10] Dự án “Giám sát CLN trong hệ thống công trình thủy lợi Thác Huống, phục vụ lấy nước sản xuất nông nghiệp” do Viện Quy hoạch thủy lợi thực hiện năm 2016 là một trong số những dự án thiết thực giúp kiểm soát và cải tạo chất lượng nước. Thông qua các mẫu phẩm nước tại một số vị trí trọng điểm trên hệ thống thủy lợi Thác Huống, kết quả phân tích cho thấy chất lượng nước tại các vị trí này vẫn nằm trong giới hạn