BÁO CÁO KHOA HỌC: "DỰ BÁO SỰ BIẾN ĐỘNG MỘT SỐ THÀNH PHẦN ĐA DẠNG SINH HỌC HỒ BA BỂ BẰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN" pdf

DỰ BÁO SỰ BIẾN ĐỘNG MỘT SỐ THÀNH PHẦN
ĐA DẠNG SINH HỌC HỒ BA BỂ BẰNG MÔ HÌNH
TÍNH TOÁN.

Lưu Lan Hương, Nguyễn Thuỳ Dương
Trường ĐHKHTN, ĐHQG HN
ĐẶT VẤN ĐỀ

Hồ Ba Bể là một thắng cảnh nổi tiếng không chỉ của Việt
Nam mà còn của thế giới. Hồ Ba Bể đã được các nhà khoa
học quan tâm và nghiên cứu khá nhiều. Các nghiên cứu
thực hiện ở hồ Ba Bể chủ yếu tập trung vào lĩnh vực thuỷ
sinh học và đầm hồ học. Trong các nghiên cứu đã có, việc
dự báo diễn thế sinh thái và môi trường hồ Ba Bể mới chỉ
dừng ở mức định tính theo kinh nghiệm. Gần đây một số
mô hình tính toán gián tiếp mới chỉ dự báo hàm lượng
Phôtpho trung bình của hồ. Việc sử dụng mô hình toán học
để dự báo biến động thuỷ sinh vật và diễn thế sinh thái thuỷ
vực đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới. Ở Việt
Nam, Công việc này còn mới mẻ và chỉ thực hiện ở một số
thuỷ vực tiêu biểu như hồ Tây ở Hà Nội. Để góp phần quản
lý có hiệu quả và phát triển hệ sinh thái hồ Ba Bể một cách
bền vững, chúng tôi thực hiện đề tài: “Dự báo sự biến động
một số nhóm sinh vật hồ Ba Bể bằng mô hình toán”.


1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.1. Đối tượng

Hồ Ba Bể là hồ nước ngọt tự nhiên nằm trên vùng núi cao

phía Bắc nước ta. Hồ chứa đựng nguồn động thực vật
phong phú, đa dạng và độc đáo. Cùng với hệ thống sông
suối trong vùng, hồ Ba Bể đóng vai trò quan trọng đối với
sự giao lưu đi lại của người dân địa phương. Hồ cũng là nơi
cung cấp nguồn thủy sản quan trọng cho nhân dân địa
phương và giữ vai trò to lớn trong việc điều tiết lũ sông
Năng. Vì vậy hồ Ba Bể có nhiều chức năng kinh tế và môi
trường quan trọng đối với các địa phương trong vùng và
các vùng lân cận.

Trong đề tài này chúng tôi tiến hành dự báo sự phát triển
của một số nhóm sinh vật trong hồ như: thực vật nổi (F),
động vật nổi (Z), động vật đáy (B), các nhóm cá ăn thực vật
nổi (S), nhóm cá ăn động vật nổi (MH), nhóm cá ăn động
vật đáy (C).

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng một số phương
pháp cơ bản như thống kê số liệu, phân tích hệ thống, hồi
quy, kỹ thuật mô phỏng. Chúng tôi áp dụng mô hình hệ
sinh thái của Yu. M. Svirezhev, V. P. Krysanova và A. A.
Voinov để phân tích biến động sinh khối của các nhóm sinh
vật. Sau đó, mô phỏng mô hình bằng phần mềm Stella II để
dự báo sự biến động của các nhóm sinh vật đó của hồ trong
thời gian tới.


2. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

2.1. Áp dụng mô hình biến động sinh khối thuỷ sinh vật

Mô hình hệ sinh thái của Yu. M. Svirezhev, V. P.
Krysanova và A. A. Voinov bao gồm 11 tiểu mô hình, 45
phương trình và 112 các thông số khác nhau. Nó được thừa
nhận là một mô hình phản ánh khá hoàn chỉnh các quá trình
biến đổi vật chất diễn ra trong hồ. Ngoài các hàm số bắt
buộc trong mô hình là các yếu tố khí hậu, nhiệt độ nước và
tổng số bức xạ mặt trời, còn có các yếu tố điều khiển như
nguồn dinh dưỡng N, P và chế độ thoáng khí.

Trong phạm vi nghiên cứu, chúng tôi chỉ đề cập đến mô
hình biến động sinh khối của 6 nhóm sinh vật trên và mối
quan hệ của nó với một số thành phần có liên quan: ánh
sáng, nhiệt độ, ôxy hòa tan (O), các chất dinh dưỡng (Nitơ-
N, Phospho-P, các mùn hữu cơ-D),

2.2. Dự báo sự biến động của các nhóm sinh vật

Áp dụng mô hình trên chúng tôi tiến hành mô phỏng để dự
báo sự phát triển của các nhóm sinh vật trong hồ theo 3
phương án sau đây:

Phương án 1: Sử dụng số liệu điều tra thực tế trong những
năm gần đây để mô phỏng

Phương án 2: Mô phỏng theo xu hướng phát triển hiện nay
của các nhóm sinh vật trong hồ qua xử lý dữ liệu bằng
phương pháp hồi quy.

Phương án 3: Mô phỏng cho sự phát triển bền vững của hồ

Mỗi bước mô phỏng là 1 năm, mỗi năm số liệu chạy dao
động theo 4 mùa. Kết quả mô phỏng cụ thể như sau:

Phương án 1

Tiến hành mô phỏng theo số liệu điều tra thực tế, ta thấy
thực vật nổi (F) và động vật nổi (Z) đã phát triển rất nhanh,
sinh vật tiêu thụ (Z) sẽ phát triển sau khi sinh vật sản xuất
(F) tăng nhanh về sinh khối.

Từ hình 1 ta thấy thực vật nổi phát triển rất mạnh kéo theo
sự tăng sinh khối nhanh và lớn hơn cả là nhóm cá sử dụng
thực vật nổi làm thức ăn (S); tương tự sinh khối của nhóm
cá ăn động vật nổi (MH) cũng được tăng lên theo sự phát
triển thức ăn của chúng nhưng tăng chậm hơn so với nhóm
cá ăn thực vật nổi; sinh khối nhóm cá ăn sinh vật đáy (C)
trong hồ tăng nhưng không đáng kể (hình 1). Sự phát triển
đó là hoàn toàn đúng với quy luật phát triển của các sinh
vật trong hệ sinh thái, các mối quan hệ dinh dưỡng trong
chuỗi và lưới thức ăn.


Hình 1. Kết quả mô phỏng biến động sinh khối của thực
vật nổi (1) và động vật nổi (2) theo số liệu điều tra thực tế



Hình 2. Kết quả mô phỏng biến động sinh khối 3 nhóm

cá được nghiên cứu (nhóm ăn sinh vật đáy-1, nhóm ăn
động vật nổi-2, nhóm ăn thực vật nổi-3) theo số liệu điều
tra thực tế


Thực tế hiện nay, sản lượng cá được khai thác trong hồ Ba
Bể đã giảm đi đáng kể, cụ thể trong những năm 1961-1962
sản lượng cá là 38 tấn/năm nhưng cho đến năm 2000 ước
tính chỉ đạt 6-7 tấn/năm. Nguyên nhân chính là do tình
trạng khai thác cá với cường độ cao, các ngư cụ khai thác
ngày càng được cải tiến để đánh bắt triệt để hơn và hàng
năm lượng khách du lịch đến đây ngày càng đông.

Kết quả mô hình thực tế lại cho thấy, sinh khối của ba
nhóm cá được nghiên cứu vẫn tăng lên, điều đó có thể giải
thích do tiềm năng phát triển của chúng là không nhỏ,
chúng vẫn sinh sản và có sự tăng sinh khối trong mỗi loài.
Tuy nhiên, từ mô hình ta thấy sự tăng lên đó là rất thấp bởi
việc khai thác quá lớn và đặc biệt là việc khai thác cá vào
mùa sinh sản.

Phương án 2

Sau khi dùng phần mềm Exel để tiến hành hồi quy, chúng
tôi tìm ra được phương trình phát triển theo lý thuyết của
mỗi biến từ các số liệu điều tra thực tế qua một số năm gần
đây. Từ phương trình lý thuyết đó chúng ta thấy được xu
hướng phát triển của các nhóm sinh vật được nghiên cứu
cho tới thời điểm hiện tại.

Dựa vào xu hướng đó chúng tôi tiến hành mô phỏng sinh
khối của các nhóm sinh vật nghiên cứu bằng mô hình của
Voinov. Kết quả mô phỏng được thể hiện trên hình 3 và
hình 4.

Theo kết quả mô phỏng trong 10 năm gần đây, sự phát triển
của thực vật nổi trong hồ ngày càng giảm và dần đi tới sự
ổn định ở giá trị sinh khối thấp. Đó là chiều hướng tốt đảm
bảo sự trong sạch của hồ.

Hình 3. Kết quả mô phỏng biến động sinh khối thực vật
nổi (1) và động vật nổi (2) thực tế trong 10 năm gần đây


Hình 4. Kết quả mô phỏng biến động sinh khối 3 nhóm
cá (nhóm ăn sinh vật đáy-1, nhóm ăn động vật nổi-2,
nhóm ăn thực vật nổi-3) thực tế trong 10 năm gần đây


Bên cạnh đó, thực vật nổi lại có xu hướng phát triển mạnh.
Chính vì thế, sinh khối ba nhóm cá nghiên cứu có sự tăng
tuyến tính (hình 4). Mặc dù, theo tính toán hồi quy, sản
lượng cá chung trong toàn hồ ngày càng giảm. Điều này có
thể giải thích tương tự như ở phương án 1, khi điều kiện
dinh dưỡng trong hồ thuận lợi cho sự phát triển của các loài
cá, thì xu hướng tất yếu là chúng tăng sinh khối. Song thực
tế, sản lượng cá ngày càng giảm do việc khai thác không
hợp lý.

Chúng tôi cho rằng kết quả mô phỏng ở phương án 2 là sự

phản ánh gần đúng nhất, trung thực nhất các điều kiện sinh
thái trong hồ cả về chất lượng nước cũng như hiện trạng
các nhóm sinh vật hiện có trong hồ.

Phương án 3

Từ hiện trạng của các nhóm sinh vật được nghiên cứu trong
10 năm gần đây, chúng tôi đưa ra mô hình mô phỏng cho
sự phát triển bền vững của hồ Ba Bể. Thời gian chạy mô
phỏng là 100 năm.

Trong mô hình này, các biến ngoại sinh như ôxy, nhiệt độ
có sự biến động thực tế theo mùa (mùa mưa và mùa khô)
và nằm trong giới hạn cho phép đối với sự tồn tại và phát
triển của sinh vật sống trong nước. Tổng lượng N và P
trong hồ được duy trì ổn định ở hàm lượng nhỏ theo tỷ lệ
10/1.

Trong mô hình này, sinh khối thực vật nổi theo xu hướng
giảm dần rồi đạt tới trạng thái ổn định. Sau 6 năm sinh khối
thực vật nổi có giá trị 0,21mg/l. Từ năm thứ 37 sinh khối
thực vật nổi được giữ ở mức ổn định (0,01mg/l).


Hình 5. Kết quả mô phỏng biến động sinh khối thực vật
nổi (1) và động vật nổi (2) trong điều kiện phát triển bền
vững


Hình 6. Kết quả mô phỏng biến động của 3 nhóm cá

(nhóm ăn sinh vật đáy-1, nhóm ăn động vật nổi-2, nhóm
ăn thực vật nổi-3) trong điều kiện phát triển bền vững


Sinh khối động vật nổi tăng lên đạt tới giá trị 0,91mg/l sau
20 năm, tạo nguồn thức ăn phong phú cho các bậc dinh
dưỡng tiếp theo. Sau đó, sinh khối của chúng đã giảm dần,
lệch pha với sự phát triển của thực vật nổi và cũng được
duy trì ở mức tương đối ổn định (0,92 - 0,95 mg/l) sau 40
năm.
Điều đó sẽ cải thiện rất nhiều chất lượng môi trường nước
hồ Ba Bể. Và đây cũng là xu thế mong muốn chung ở tất cả
các hồ tự nhiên đang trong mối đe dọa phì dưỡng.

Cũng trong điều kiện đó, sinh khối của ba nhóm cá nghiên
cứu đã tăng nhanh ngay từ những năm đầu tiên (hình 6). Ở
phương án này, chúng tôi đã tiến hành cho khai thác cá
hàng năm nhằm duy trì ở mức đủ lớn để thực vật nổi không
vượt quá giới hạn cho phép. Trong mỗi đợt khai thác này,
sản lượng các nhóm cá được đánh bắt là không giống nhau.
Theo mô hình của chúng tôi, sản lượng nhóm cá ăn sinh vật
đáy được khai thác hàng năm là khoảng 5%, với nhóm ăn
động vật nổi chỉ là 1% nhưng với nhóm cá ăn thực vật nổi
có thể đạt gần 4% tổng lượng cá mỗi nhóm tại thời điểm
đó.

Tuy nhiên, chúng ta thấy (hình 6) sinh khối ba nhóm cá
được nghiên cứu vẫn phát triển mạnh trong điều kiện đã có
khai thác hàng năm. Do đó, để ổn định lượng cá trong hồ ở
mức đủ nhỏ để không vượt quá ngưỡng cho phép của hồ

chúng tôi tiến hành các đợt khai thác lớn theo chu kỳ năm.

Chu kỳ khai thác đối với ba nhóm cá nghiên cứu (nhóm ăn
sinh vật đáy-C, nhóm ăn động vật nổi-MH, nhóm ăn thực
vật nổi-S) được thể hiện trong các đồ thị sau (hình 7, 8, 9).

Sinh khối mỗi nhóm cá trong hồ được duy trì ở các giá trị
khác nhau. Sinh khối nhóm cá ăn sinh vật đáy (C) được duy
trì ở mức 3,5mg/l, điều đó cũng có nghĩa là khi sinh khối
nhóm cá ăn sinh vật đáy đạt tới giá trị đó chúng ta có thể
tiến hành đợt khai thác lớn và sản lượng khai thác là 29%
tổng lượng cá đang có trong hồ. Tương tự, sinh khối nhóm
cá ăn động vật nổi và nhóm cá ăn thực vật nổi ổn định ở
mức tương ứng là 3mg/l và 4mg/l. Trong mỗi đợt khai thác
sản lượng cho phép đối với nhóm ăn động vật nổi là 20%
và nhóm ăn thực vật nổi là 35% tổng lượng cá của mỗi
nhóm.

Như vậy, các đợt khai thác lớn sẽ được tiến hành với chu
kỳ và thời gian để bắt đầu tiến hành khai thác là không
giống nhau đối với mỗi nhóm cá (hình 7, 8, 9). Đối với
nhóm cá ăn sinh vật đáy thời điểm bắt đầu được khai thác
lớn là sau 22 năm và chu kỳ khai thác là 3 năm. Nhóm cá
ăn động vật nổi chu kỳ khai thác cũng là 3 năm nhưng sau
25 năm mới là thời điểm bắt đầu được tiến hành khai thác
lớn. Đối với nhóm cá ăn thực vật nổi thời điểm bắt đầu đến
sớm hơn (sau 19 năm) nhưng chu kỳ khai thác lại chậm
hơn so với hai nhóm loài trên (4 năm).

Trong mô hình chúng tôi sử dụng hàm "if" cho phép tự

động xác định thời điểm cần khai thác cá theo tiêu chuẩn
nói trên.


Hình 7. Kết quả mô phỏng biến động sinh khối nhóm cá
ăn sinh vật đáy (1) và các đợt khai thác (2)


Hình 8. Kết quả mô phỏng biến động sinh khối nhóm cá
ăn động vật nổi (1) và các đợt khai thác (2)


Hình 9. Kết quả mô phỏng biến động sinh khối nhóm cá
ăn thực vật nổi (1)và các đợt khai thác (2)


Hình 10. Sơ đồ mô phỏng khi tiến hành đánh bắt nhiều
loại cá ở hồ Ba Bể trong điều kiện phát triển bền vững
(Thực vật nổi-1, Động vật nổi-2, Cá -3, Đánh bắt-4)


Một trong những điều kiện để hồ Ba Bể đạt được trạng thái
phát triển bền vững theo phương án này đó là nồng độ nitơ
và phospho hòa tan trong nước. Nồng độ phospho trong hồ
giảm đi và ổn định ở mức thấp.là 0,009mg/l. Tỷ lệ N/P =
10/1. Bên cạnh đó, ảnh hưởng của nhiệt độ nước (16
0
C-
32
0

C) và ôxy hòa tan trong nước (3,8mg/l - 10,0mg/l) lên
sự phát triển của các nhóm sinh vật trong hồ Ba Bể cũng
góp phần duy trì trạng thái phát triển bền vững của hồ.

Hình 10 cho thấy trong điều kiện phát triển bền vững,
chúng ta có thể tiến hành đánh bắt nhiều loài cá sống trong
hồ Ba Bể. Sinh khối các nhóm sinh vật trong hồ vẫn được
duy trì ổn định khoảng 20 năm sau. Đặc biệt, trong điều
kiện này, các loại cá được khai thác khi đạt sinh khối
5mg/l. Sản lượng khai thác cá tối đa đối với mỗi đợt khai
thác lớn đạt tới gần 49% tổng lượng cá tại thời điểm đó và
chu kỳ khai thác chỉ là 2,3 năm.


KẾT LUẬN

Kết quả dự báo sự phát triển của các nhóm sinh vật trong
hồ Ba Bể theo 3 phương án như sau:

Phương án 1: Sử dụng các số liệu điều tra thực tế tại một
thời điểm để mô phỏng chung cho quá trình phát triển của
các nhóm sinh vật. Kết quả cho thấy chúng đã phát triển
quá mạnh so với thực tế, đặc biệt là thực vật nổi và động
vật nổi.

Phương án 2: Các số liệu điều tra thực tế sau khi dùng
phép phân tích hồi quy rồi xử lý đưa vào mô hình mô
phỏng cho kết quả hoàn toàn phù hợp với xu hướng phát
triển hiện nay của các nhóm sinh vật trong hồ Ba Bể (kể cả
thực vật nổi, động vật nổi, nhóm cá ăn sinh vật đáy, nhóm

cá ăn động vật nổi và nhóm cá ăn thực vật nổi).

Phương án 3: Đã mô phỏng thành công một phương án
phát triển bền vững của hồ Ba Bể cho 100 năm sau. Mô
hình đã kết hợp được các mối quan hệ giữa các thành phần
vô cơ, hữu cơ trong hệ sinh thái hồ. Kết quả cho thấy hàm
lượng thực vật nổi và động vật nổi tồn tại trong hồ ở mức
độ thấp, hồ giữ được sự trong sạch lâu dài và mang lại hiệu
quả kinh tế cao bằng việc kết hợp nuôi thả cá với mật độ và
khai thác hợp lý.


TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn (2003), Báo
cáo hội thảo khoa học Quốc gia Vườn Quốc gia Ba Bể,
Khu Bảo tồn Thiên nhiên Nà Hang, Dự án bảo tồn tài
nguyên thiên nhiên (PARC). Nhà xuất bản Lao động, Hà
Nội.
2. Hill, M., Hallam, D., and Bradley, J. (1997), Ba Be
National Park: biodiversity survey 1996. London: Society
for Environmental Exploration.
3. Yu. M. Svirezhev, V. P. Krysanova and A. A. Voinov
(1983), Mathematical modeling of fish pond ecosystem,
Elsevier Science Publishers B. V., Amsterdam, p 315-337.
4. www.cwr.uwa.edu.au/cwr/publications/2001 (Ecological
Modelling, 141 (1-3): 19-33, ED 1251)
5. www.kluweronline.com/issn/0097-8078/contents (Water
Resources 30(1) p.59-67 January-February 2003)

SUMMARY
Prediction the dynamic of some components of biodiversity
in Ba Be Lake by mathematical models 6 groups of
organisms in Ba Be lake were selected to predict include
Phytoplankton, Zooplankton, group of fish which feed on
Phytoplanktons, group of fish which feed on Zooplanktons
and group of fish which feed on Benthods.
The lake ecosystem models of Yu. M. Svirezhev, V. P.
Krysanova and A. A. Voinov (1983) were used to predict
the dynamic of these groups of organisms and then
simulate in Stella II. Three different cases were simulated
to predict. The results showed that:
1st case: Phytoplankton and Zooplankton growth too
strong
2nd case: Reflected correctly recent trend of growths of
these 6 groups of organisms in Ba Be lake.
3rd case: Simulated successfully sustainable development
for Ba Be lake by the most effective way is raising fish
with sufficient amount.

Người thẩm định nội dung khoa học: GS. Mai Đình Yên