Báo cáo nghiên cứu khoa học " Cân bằng nước hệ thống lưu vực sông Thạch Hãn tỉnh Quảng Trị bằng mô hình MIKE BASIN" pptx

TạpchíKhoahọcĐHQGHN,KhoahọcTựnhiênvàCôngnghệ25,Số3S(2009)535‐541
535
_______
Cân bằng nước hệ thống lưu vực sông Thạch Hãn
tỉnh Quảng Trị bằng mô hình MIKE BASIN
Ngô Chí Tuấn*, Trần Ngọc Anh, Nguyễn Thanh Sơn
Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN
334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam
Nhận ngày 25 tháng 11 năm 2009
Tóm tắt. Lưu vực sông Thạch Hãn đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội, bảo
tồn các di sản văn hóa và bảo vệ môi trường sinh thái tỉnh Quảng Trị. Tính toán cân bằng nước hệ
thống lưu vực sông làm cơ sở cho việc quy hoạch sử dụng hợp lý tài nguyên nước là một bài toán
cần thiết. Bài viết giới thiệu các kết quả nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE BASIN cân bằng
nước hệ thống
lưu vực sông Thạch Hãn.
1. Đặt vấn đề


Cân bằng nước hệ thống là sự cân bằng
giữa nước đến và đi, trong đó đã bao gồm các
yêu cầu về nước và khả năng điều tiết của hệ
thống. Từ đó đánh giá sự tương tác về nước
giữa các thành phần trong hệ thống, các tác
động của môi trường lên nó và đề ra các biện
pháp khai thác, bảo vệ nguồn nước một cách
hợp lý.
Trên quan điểm đó, bài toán cân bằng nước
hệ thống đã tập trung giải q
uyết các vấn đề (i)
Phân vùng tiềm năng nguồn nước, (ii) Tính toán
lượng nước đến và nhu cầu nước của các hộ,

(iii) Tính toán các phương án sử dụng nguồn
nước hay thực chất là bài toán cân bằng kinh tế
nước.

Tác giả liên hệ. ĐT: 84-4-38584943
E-mail:

Hiện nay có nhiều phương pháp và mô hình
cân bằng nước hệ thống như hệ thống mô hình
GIBSI, MITSIM, BASINS, WUP, MIKE
BASIN, Trong công trình này mô hình MIKE
BASIN đã được lựa chọn để cân bằng nước hệ
thống lưu vực sông Thạch Hãn.
2. Giới thiệu về mô hình MIKE BASIN
MIKE BASIN là
mô hình tính toán cân
bằng nước hệ thống trên cơ sở xác định lượng
nước đến (mưa - dòng chảy) và lượng nước yêu
cầu của các ngành kinh tế tối ưu nhất giúp cho
công tác quy hoạch tổng hợp và
quản lý tài
nguyên nước lưu vực sông do Viện Thủy lực
Đan Mạch (DHI) xây dựng. Mô hình thuộc kiểu
mô hình mạng lưới, trong đó sông và các nhánh
hợp lưu chính được biểu diễn bằng một lưới
bao gồm các nhánh và các nút. Các nhánh được
thể hiện bằng các đoạn sông riêng biệt, còn các
nút thể hiện các tiểu hợp lưu hoặc các vị trí mà
N.C.Tuấnvànnk./TạpchíKhoahọcĐHQGHN,KhoahọcTựNhiênvàCôngnghệ25,Số3S(2009)535‐541
536

tại đó các h
oạt động liên quan đến phát triển
nguồn nước có thể diễn ra như điểm của dòng
chảy hồi quy từ các khu tưới, hoặc là điểm hợp
lưu giữa hai hoặc nhiều sông, suối hoặc tại các
vị trí quan trọng cần có kết quả của mô hình
(hình 1). Cơ sở toán học mô hình MIKE
BASIN là phương trình cân bằng nước và được
giải ổn định cho mỗi bước thời gian trên toàn hệ
thống
mạng lưới [1].

Hình 1. Bố trí phác họa mô hình lưu vực sông trong MIKE BASIN.
MIKE BASIN được tính toán trên môi
trường ArcView GIS, để các thông tin số có thể
tích hợp trong mô phỏng tài nguyên nước. Các
thông tin về mạng lưới sông, vị trí các hộ dùng
nước, hồ chứa, cửa lấy nước, các yêu cầu về
chuyển dòng, dòng hồi quy và kết quả đầu ra
đều được xác định trực tiếp từ các giao diện GIS
3. Các bước tiến hành
Phân vùng cân bằng nước
a. Nguyên tắc phân vùng: Trên quan điểm
quản lý tài nguyên nước theo lưu vực sông,
phân vùng cân bằng nước dựa trên c
ác nguyên
tắc sau [1]:
 Đặc điểm tự nhiên, sự phân cắt của địa
hình tạo nên các khu có tính độc lập tương đối
được bao bọc bởi các dòng sông hoặc các

đường phân thủy.
 Ranh giới hành chính được xem xét theo
góc độ quản lý nhà nước và quản lý khai thác
hệ thống công trình thủy lợi.
 Khu và tiểu khu thủy lợi có đủ điều kiện
để xác định các nút lấy nước, thoát nước, xả
nước góp phần xâ
y dựng sơ đồ phát triển
nguồn nước lưu vực.
 Các vùng có tính độc lập tương đối trong
quản lý khai thác tài nguyên nước, và có liên hệ
với các khu, tiểu khu khác.
 Vùng cây trồng có tính chất khác nhau:
lúa, cây trồng cạn và cây công nghiệp.
b. Sơ đồ các vùng cân bằng nước: Dựa trên
nguyên tắc phân vùng, sử dụng các bản đồ:
DEM, mạng lưới sông suối, quy hoạch sử dụng
đất, quy hoạch phân vùng tưới và phần mềm
ArcVi
ew GIS phân chia lưu vực sông Thạch
Hãn thành 12 vùng (khu) cân bằng nước chính
thể hiện trong hình 2.

N.C.Tuấnvànnk./TạpchíKhoahọcĐHQGHN,KhoahọcTựNhiênvàCôngnghệ25,Số3S(2009)535‐541
537

Hình 2. Sơ đồ phân khu cân bằng nước lưu vực sông Thạch Hãn tỉnh Quảng Trị.
Tính toán lượng nước đến và nhu cầu nước của
các hộ dùng nước
Tính toán lượng nước đến: Trên lưu vực

sông Thạch Hãn do thiếu số liệu thủy văn, trong
khi mạng lưới quan trắc mưa và các yếu tố khí
tượng tương đối đầy đủ, có thể sử dụng các mô
hình toán thủy văn để khôi phục số liệu dòng
chảy từ mưa. Qua đánh giá tình hình đáp ứng
tài liệu quan trắc trên địa bàn ng
hiên cứu, mô
hình NLRRM (Non Linear Rainfall Runoff
Model) đã được lựa chọn để khôi phục dòng
chảy [2]. Kết quả tính toán được thể hiện trong
bảng 1.


N.C.Tuấnvànnk./TạpchíKhoahọcĐHQGHN,KhoahọcTựNhiênvàCôngnghệ25,Số3S(2009)535‐541
538
Bảng 1. Kết quả tính toán lưu lượng trung bình tháng, năm các khu lưu vực sông Thạch Hãn
Lưu lượng trung bình tháng, năm (m
3
/s)
Tháng
Khu
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XI TB
CI1 14.24 8.10 4.81 6.16 13.73 24.26 18.95 19.39 49.63 108.00 71.34 33.20 30.98
CI2 5.10 2.93 1.86 2.35 5.86 9.72 11.03 18.34 27.18 32.00 19.96 9.54 12.15
CI3 10.83 5.95 3.74 3.65 8.63 13.61 15.09 23.50 41.22 57.19 40.04 22.02 20.46
CII1 0.70 0.37 0.22 0.17 0.29 0.28 0.23 0.54 1.72 3.22 2.79 1.56 1.01
CII2 3.06 1.64 1.02 0.72 1.29 1.03 0.75 1.45 5.90 12.00 10.59 6.68 3.85
CII3 5.95 3.16 1.87 1.44 2.51 2.36 1.93 4.56 14.62 27.30 23.72 13.26 8.56
CIII1 7.86 4.19 2.49 1.94 3.38 3.17 2.59 6.12 19.41 36.06 31.31 17.54 11.34
CIII2 2.95 1.66 1.07 1.41 3.66 6.41 7.34 11.10 16.25 19.21 11.56 5.66 7.36

CIII3 2.96 1.66 1.07 1.42 3.69 6.45 7.39 11.17 16.34 19.31 11.62 5.69 7.40
CIV1 3.70 1.98 1.23 0.86 1.53 1.23 0.89 1.72 7.09 14.49 12.80 8.06 4.63
CIV2 0.97 0.51 0.30 0.23 0.41 0.38 0.31 0.74 2.38 4.45 3.87 2.16 1.39
CIV3 0.22 0.12 0.07 0.05 0.09 0.09 0.07 0.17 0.55 1.03 0.89 0.50 0.32

Tính toán nhu cầu nước của các hộ dùng
nước: Nhu cầu sử dụng nước trong từng khu
được tính theo các hộ dùng nước riêng (nông
nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt, chăn nuôi, môi
trường, ) dựa trên các tài liệu phát triển kinh
tế-xã hội trong vùng ở thời điểm hiện tại năm
2007 và quy hoạch trong tương lai, theo [3-5].
Kết quả tính toán nhu cầu dùng nước cho
khu CI1 được trình bày trong bảng 2 và tương
tự tổng hợp tất cả các khu trên lưu vực sông
Thạch Hãn
được thể hiện trong bảng 3.
Bảng 2. Nhu cầu nước của các hộ dùng nước tại khu CI1 năm 2007 (10
6
m
3
).
Tháng
Khu Đối tượng
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Tổng 14.22 14.71 15.68 14.22 16.45 14.88 12.49 12.08 12.07 12.06 13.04 12.97
N
ông nghiệp 1.803 2.213 3.019 1.806 3.668 2.357 0.361 0.017 0.011 0.000 0.814 0.761
Sinh hoạt 0.047 0.047 0.047 0.047 0.047 0.047 0.047 0.047 0.047 0.047 0.047 0.047
Chăn nuôi 0.038 0.038 0.038 0.038 0.038 0.038 0.038 0.038 0.038 0.038 0.038 0.038

Thủy sản 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
Công nghiệp 0.047 0.047 0.047 0.047 0.047 0.047 0.047 0.047 0.047 0.047 0.047 0.047
TM. DV, DL 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005
Hoạt động đô thị 0.023 0.023 0.023 0.023 0.023 0.023 0.023 0.023 0.023 0.023 0.023 0.023
CI1
GTT, BVMT 11.850 11.850 11.850 11.850 11.850 11.850 11.850 11.850 11.850 11.850 11.850 11.850


N.C.Tuấnvànnk./TạpchíKhoahọcĐHQGHN,KhoahọcTựNhiênvàCôngnghệ25,Số3S(2009)535‐541
539
Bảng 3. Tổng hợp nhu cầu nước dùng tại các khu trên lưu vực sông Thạch Hãn năm 2007 (10
6
m
3
)
Khu I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Tổng
CI1 14.22 14.71 15.68 14.22 16.45 14.88 12.49 12.08 12.07 12.06 13.04 12.97 164.87
CI2 7.31 7.36 8.79 8.11 6.51 5.96 4.92 4.80 4.80 4.80 5.75 6.27 75.38
CI3 12.36 12.55 13.30 22.19 14.07 14.96 12.96 9.90 8.50 8.50 12.83 9.41 151.53
CII1 1.71 1.71 1.66 3.11 1.84 2.07 1.92 1.53 1.32 1.32 1.97 1.37 21.53
CII2 3.45 3.50 3.63 8.53 4.10 4.98 4.38 2.72 2.00 2.00 4.07 2.20 45.56
CII3 6.77 6.82 7.44 14.18 7.23 9.25 8.32 5.26 4.28 4.28 7.10 4.56 85.49
CIII1 7.85 7.88 8.92 14.26 7.75 10.32 9.46 6.12 5.39 5.37 7.49 5.60 96.41
CIII2 4.35 4.41 5.26 6.01 3.99 4.30 3.76 2.88 2.75 2.75 3.60 3.42 47.48
CIII3 3.34 3.42 3.76 3.55 3.58 3.34 2.85 2.70 2.70 2.70 2.98 3.01 37.93
CIV1 4.90 4.95 5.11 12.73 5.78 7.21 6.38 3.89 2.75 2.75 5.88 3.01 65.34
CIV2 1.48 1.48 1.61 3.08 1.56 2.02 1.89
1.17 0.96 0.96 1.56 1.01 18.78
CIV3 0.41 0.44 0.44 0.91 0.47 0.57 0.54 0.34 0.29 0.29 0.47 0.31 5.48

4. Tính toán cân bằng nước hệ thống cho lưu
vực sông Thạch Hãn
Từ sơ đồ phân khu cân bằng đã được thiết
lập ở trên tiến hành thiết lập sơ đồ tính trong
mô hình MIKE BASIN để tính toán cân bằng
nước cho lưu vực sông Thạch Hãn. Sơ đồ tính
cân bằng nước trong MIKE BASIN được thể
hiện trong hình 3 [1].

Hình 3. Sơ đồ cân bằng nước cho lưu vực sông Thạch Hãn.

N.C.Tuấnvànnk./TạpchíKhoahọcĐHQGHN,KhoahọcTựNhiênvàCôngnghệ25,Số3S(2009)535‐541
540
Mô
tả các điểm sử dụng nước trong sơ đồ tính
Các thông số công trình: Số liệu đầu vào
của các hồ chứa trong mô hình bao gồm đường
quan hệ đặc trưng lòng hồ (Z~V, Z~F); cao
trình đỉnh đập, mực nước dâng bình thường,
mực nước phòng lũ, mực nước chết, mực nước
vận hành tối thiểu, nguyên tắc vận hành.
Số liệu đầu vào của các nút: Nút nông
nghiệp bao gồm tài liệu về nhu cầu sử dụng
nước cho: tưới và chăn nu
ôi. Dòng hồi quy tính
bằng 25% lượng nước sử dụng. Lượng tổn thất
hệ thống được tính thông qua hệ số "Demand
Multiplier" của mô hình, hệ số này dao động từ
1,5-1,6 tùy hệ thống.
Nút cấp nước chủ yếu là cấp nước cho sinh

hoạt, công nghiệp và các hoạt động khác, lượng
tổn thát hệ thống là 1,5, lượng nước hồi quy
tính bằng
75% lượng nước tiêu thụ.
Nút hồ chứa bao gồm các số liệu về: Mưa,
bốc hơi, quan hệ lòng hồ, qui trình vận hành,
mức xả tối đa và tối thiểu xuống hạ lưu.
Kết nối ưu tiên Nút hồ chứa được đặt tại vị
trí nút trên sông có dòng chảy
Nút nông nghiệp và nút cấp nước được kết
nối từ hồ chứa hoặc từ các nút trên sông có
dòng chảy
vào. Thứ tự ưu tiên sử dụng nước tùy
thuộc vào mục tiêu của mỗi hộ dùng nước.
Thông thường thứ tự ưu tiên như sau: Cấp nước
cho sinh hoạt, tưới, thủy điện. Ngoài ra, trong
vận hành hồ chứa mức ưu tiên còn được thông
qua hệ số phân bổ đối với mỗi đối tượng sử
dụng nước. Dòng hồi quy của các khu sử dụng
nước được kết nối vào
ngay sau nút cấp nước.
Thời gian mô phỏng: được lựa chọn từ
1977 - 2007
Kiểm nghiệm mô hình: Đối với khu dùng
nước cho nông nghiệp, các hộ dùng nước khác:
kiểm nghiệm quá trình lấy nước, thải hồi nước.
Đối với hồ chứa: kiểm nghiệm quá trình tích
nước và xả nước. Đối với kết nối dòng chảy:
kiểm nghiệm tại các vị trí hợp lưu.
Kết quả tín

h toán
Kết quả cân bằng nước tại các khu: trên lưu
vực sông Thạch Hãn được thể hiện trong bảng
4.

Bảng 4. Tổng hợp lượng nước thiếu tại các khu trên lưu vực sông Thạch Hãn năm 2007 (10
6
m
3
)
Tháng
Khu
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Tổng
CI1 0.00 0.00
5.41 1.09
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 6.50
CI2 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
CI3 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
CII1 0.00 0.00 0.00
1.28
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.28
CII2 0.00 0.00 0.00
1.33 0.07 0.96 1.50
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 3.86
CII3 0.00 0.00
2.59 10.45 0.74 3.15 3.33
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 20.25
CIII1 0.00 0.00
1.20 6.87

0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 8.07
CIII2 0.00
0.51 2.75 2.70
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 5.96
CIII3 0.00 0.00
1.16 0.10
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.26
CIV1 0.00 0.00
0.85 5.59 0.42 1.90 2.34
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 11.10
CIV2 0.00 0.00 0.00
1.44
0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.44
CIV3 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Tổng
0.00 0.51 13.96 30.85 1.23 6.01 7.17 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
59.72

N.C.Tuấnvànnk./TạpchíKhoahọcĐHQGHN,KhoahọcTựNhiênvàCôngnghệ25,Số3S(2009)535‐541
541

Nhận xét: Trên toàn
bộ lưu vực có 3 khu
không bị thiếu nước đó là CI2, CI3, CIV3 còn
lại các khu vực khác vẫn còn thiếu.
Vào mùa kiệt lượng nước dùng cho các khu
vực đa số vẫn còn thiếu, lượng nước thiếu chủ
yếu tập trung vào tháng IV với lượng thiếu là
30,85 triệu m

3
; lượng thiếu thấp nhất là vào
tháng II với lượng thiếu là 0,51 triệu m
3
. Tổng
trên toàn lưu vực lượng nước thiếu cần cấp là
59,72 triệu m
3
. Đặc biệt các khu thiếu nước
nghiêm trọng là các khu CII3 thuộc khu vực
sông Vĩnh Phước, khu CII2 thuộc sông Ái Tử,
các khu trên sông Cam Lộ và khu CIV1 thuộc
hai huyện Triệu Phong và Hải Lăng.
5. Kết luận
Kết quả tính toán cân bằng nước hệ thống
bằng mô hình MIKE BASIN trên lưu vực sông
Thạch Hãn cho thấy tài nguyên nước trên lưu
vực phong phú nhưng tình trạng thiếu nước vẫn
xảy ra vào mùa kiệt. Để tài nguyên nước không
bị lãng phí vào mùa mưa và có nguồn nước bổ
sung cho m
ùa kiệt cần xây dựng hồ chứa tại các
khu vực thượng nguồn, giải quyết bài toán vận
hành liên hồ chứa, quy hoạch tổng thể tài
nguyên nước lưu vực để đảm bảo phát triển bền
vững.
Lời cảm ơn
Các nghiên cứu trong bài báo này được sự
hỗ trợ kinh phí của đề tài cấp Đại học Quốc gia,
mã số QT.09.51.

Tài liệu tham khảo
[1] Ngô Chí Tuấn, Tính toán cân bằng nước hệ
thống lưu vực sông Thạch Hãn tỉnh Quảng Trị,
Luận văn thạc sỹ ngành thủy văn, Đại học Khoa
học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2008.
[2] Nguyễn Thị Nga, Nguyễn Thanh Sơn, Kết quả
ứng dụng mô hình NLRRM khôi phục số liệu
quá trình dòng chảy các lưu vực sông tỉnh
Quảng Trị, Tạp chí khoa học ĐHQG
HN, Khoa
học Tự nhiên và Công nghệ, T.XXII, số 2B
PT(2006) 80.
[3] Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường, Các
tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam về môi trường,
Hà Nội, 1995.
[4] Tiêu chuẩn - định mức quy hoạch nông nghiệp
và công nghiệp thực phẩm, Nhà xuất bản Nông
nghiệp, Hà Nội, 1990
[5] Cục Thống kê Quảng Trị, 2008, Niên giám
thống kê tỉnh Quảng Trị 2007.

Using MIKE BASIN for water balance of system in Thach Han
river basin - Quang Tri province
Ngo Chi Tuan, Tran Ngoc Anh, Nguyen Thanh Son
Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, College of Science, VNU
334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam

Thach Han river basin plays an important role in socio-economic development, preserving cultural
heritage and protecting ecological environment of Quang Tri province. Calculating water balance of
system which forms foundation for reasonably water resource using and planning is a necessary

problem. This paper introduces some results using MIKE BASIN model for water balance of system
in Thach Han river basin.