ứng dụng mô hình nam tính toán dòng chảy trên lưu vực sông cầu

CHƯƠNG 1: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH NAM TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY
TRÊN LƯU VỰC SÔNG CẦU
1.1. Giới thiệu mô hình NAM
Mô hình NAM là mô hình cải tiến từ mô hình Nielsen-Hansen, được công bố trong
tạp chí “Nordic Hydrology” năm 1973 và sau này được viện thủy lợi Đan Mạch phát triển
và đổi thành NAM. Mô hình gồm 4 bể chứa, nguyên lí tính toán trong mỗi bể chứa là giải
phương trình cân bằng nước. Điều khác biệt so với mô hình TANK là dòng chảy từ các
bể chứa vào sông, tính theo mô hình TANK là tính theo quy luật tuyến tính, còn tính theo
mô hình NAM là theo quy luật phi tuyến (dạng đường cong nước rút).
Mô hình NAM là mô hình thủy văn mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy diễn ra trên
lưu vực. Là một mô hình toán thủy văn, mô hình NAM bao gồm một tập hợp các biểu
thức toán học đơn giản để mô phỏng các quá trình trong chu trình thủy văn. Mô hình
NAM thuộc loại mô hình nhận thức, tất định, thông số tập trung, và là mô hình mô phỏng
liên tục. Đây là một mođun tính mưa từ dòng chảy trong bộ phần mềm thương mại MIKE
11 do Viện Thủy lực Đan Mạch xây dựng và phát triển.
Mô hình NAM thuộc loại mô hình tất định, thông số tập trung và là mô hình mô
phỏng liên tục. Mô hình NAM hiện nay được sử dụng ở rất nhiều nơi trên thế giới và gần
đây cũng hay sử dụng ở Việt Nam.
Cơ sở lý thuyết của mô hình được trình bày cụ thể ở phần phụ lục I.1.
1.2. Ứng dụng mô hình NAM tính toán dòng chảy ngày trên lưu vực sông Cầu
1.2.1. Tìm bộ thông số của các trạm lưu lượng trên lưu vực:
Số liệu đầu vào:
- Số liệu mưa trung bình ngày tại các trạm trên lưu vực.
- Tài liệu bốc hơi tiềm năng của lưu vực.
- Tài liệu dòng chảy thực đo của các năm có số liệu đo đạc.
Bộ thông số của mô hình:
Các thông số hiệu chỉnh của mô hình Nam như sau:
- Umax: Lượng nước tối đa trong bể chứa mặt
- Lmax: Lượng nước tối đa trong bể chứa tầng rễ cây
- CQOF: Hệ số dòng chảy mặt, giá trị trong khoảng [0,1]
- TOF: Giá trị ngưỡng của dòng chảy mặt, trong khoảng [0,1]

- TIF: Giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt, trong khoảng [0,1]
- TG: Giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho dòng chảy ngầm, trong khoảng
[0,1]
- CKIF: Hằng số thời gian diễn toán dòng chảy sát mặt
- CK1,2: Hằng số thời gian diễn toán dòng chảy mặt và sát mặt
- CKBF: Hằng số thời gian diễn toán dòng chảy ngầm
Yêu cầu tính toán:
Lựa chọn, thử sai các thông số của mô hình để xác định quá trình dòng chảy (dòng
chảy tính toán) của trạm từ mưa và bốc hơi lưu vực.
Các bước tính toán :
- Tính mưa trung bình tháng tại các trạm trên lưu vực.
- Tính bốc hơi tiềm năng tại các trạm trên lưu vực.
- Tính thấm qua các cửa ra ở đáy.
Phương pháp hiệu chỉnh và kiểm định:
Ta sử dụng từ 60%  80% số liệu để hiệu chỉnh, phần còn lại để kiểm định.
Có những phương pháp hiệu chỉnh sau:
- Phương pháp thử sai.
- Phương pháp dò tìm tối ưu: ô vuông, mặt cắt vàng, độ dốc, Rosenbroc.
- Kết hợp cả 2 phương pháp trên.
Chỉ tiêu kiểm định trong mô hình NAM:
Ở đây ta sử dụng chỉ tiêu NASH để đánh giá:








n

1i
2
obs
obs
n
1i
2
obscal
2
)Q(Q
)Q(Q
1R
(4.2-1)
Một bộ thông số được coi là tối ưu khi và chỉ khi các chỉ tiêu đánh giá đạt theo đúng
quy định, chỉ tiêu Nash phải đạt từ 80% – 100%. Bên cạnh đó còn phải kết hợp phân tích
đồ thị quan hệ Q
đo
& Q
tính
để tìm được kết quả tốt nhất.
1.2.1.1. Số liệu đầu vào của mô hình:
Việc tính toán được thực hiện cho các tiểu lưu vực thuộc lưu vực sông Cầu với thời
đoạn tính toán được trình bày ở bảng 3-1. Đối với phần lưu vực thượng sông Cầu có thể
thấy rằng các đặc tính dòng chảy đã thay đổi theo thời gian do sự thay đổi trong sử dụng
đất. Do vậy đối với các tiểu lưu vực này, luận văn sử dụng chuỗi dữ liệu mới nhất (1990-
1996) để tính toán. Đối với các lưu vực khác, do hạn chế về dữ liệu dòng chảy nên luận
văn sử dụng toàn bộ chuỗi dữ liệu hiện có.
Bảng 1-1: Bảng số liệu đầu vào của mô hình NAM.
TT

Sông Vị trí Diện
tích
Mưa Dòng chảy Bốc hơi Thời
đoạn
1 Cầu thượng nguồn
trạm Thác Riềng
712 Bắc Kạn,
Thác Riềng
Thác Riềng Bắc Kạn 90-96
2 Cầu từ trạm Thác
Riềng đến Thác
Bưởi
1508 Bắc Kạn,
Thác Riềng,
Chợ Mới,
Định Hóa
Thác Bưởi Bắc
Kạn,
Thái
Nguyên
90-96
3 Đu thượng nguồn
trạm Giang Tiên
283 Chợ Mới,
Định Hóa,
Đại Từ
Giang Tiên Thái
Nguyên
62-71
4 Công thượng nguồn

trạm Tân Cương
548 Định Hóa,
Đại Từ
Tân Cương Vĩnh
Yên
61-76
5 Cà
Lồ
Thượng nguồn
trạm Phú Cường
880 Vĩnh Yên,
Thái Nguyên
Phú Cường Vĩnh
Yên
68-75

Do một số trạm chỉ đo lưu lượng, không đo mưa, bốc hơi nên bắt buộc phải mượn
mưa và bốc hơi của trạm kế bên, với điều kiện trạm kế bên phải nằm trong lưu vực tương
tự về địa chất, thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật, chịu cùng một điều kiện khí hậu như nhau.
* Số liệu mưa:
Sử dụng phương pháp đa giác Theisson để xác định trọng số của từng trạm mưa đối
với các tiểu lưu vực.
Trọng số các trạm mưa được sử dụng để tính toán được trình bày ở bảng 3-2.
Bảng 1-2: Trọng số các trạm mưa được sử dụng để tính toán trong mô hình
Trạm dòng chảy Trạm mưa Trọng số
Thác Riềng Bắc Kạn, 0,853
Thác Riềng 0,147
Thác Bưởi Bắc Kạn, 0,059
Thác Riềng, 0,138
Định Hóa 0,168

Chợ Mới, 0,635
Giang Tiên Chợ Mới, 0,31
Định Hóa, 0,29
Đại Từ 0,4
Tân Cương Định Hóa 0,146
Đại Từ, 0,854
Phú Cường Vĩnh Yên, 0,952
Thái Nguyên 0,048

* Số liệu bốc hơi:
Chuỗi số liệu bốc hơi của trạm Bắc Kạn, Thái Nguyên, Vĩnh Yên được sử dụng để
tính toán cho các trạm như đã trình bày ở bảng 3-1. Trạm Thác Bưởi sử dụng chuỗi số
liệu của 2 trạm Bắc Kạn và Thái Nguyên để tính toán với trọng số là 0,5.
Chuỗi số liệu bốc hơi ngày sẽ được nội suy tuyến tính từ chuỗi số liệu bốc hơi tháng.
1.2.1.2. Kết quả dò tìm thông số:
Luận văn sử dụng mô hình NAM trong bộ mô hình Mike (mô hình Mike 11) để tính
toán. Những điều kiện ban đầu theo yêu cầu của mô hình NAM bao gồm lượng nước
trong bể tuyết, bể mặt, bể chứa tầng rễ cây, cùng với những giá trị ban đầu của dòng chảy
từ 2 bể chứa tuyến tính cho dòng chảy mặt, sát mặt và dòng chảy ngầm.
Các giá trị ban đầu lấy bằng 0, còn lượng nước ban đầu ở tầng rễ cây và tầng ngầm lấy từ
lần mô phỏng trong những năm trước đó.
Luận văn sử dụng khoảng 70% số liệu để hiệu chỉnh và 30% số liệu để kiểm định. Bộ
thông số tại các trạm trên lưu vực như bảng 3-3.

Bảng 1-3: Bộ thông số tại một số trạm đo lưu lượng trên lưu vực sông Cầu
Số
TT

Thông
số

Sông Cầu
(Thác
Riềng)
Sông Cầu (Thác
Riềng- Thác
Bưởi)
Sông Đu
(Giang
Tiên)
Sông Công

(Tân
Cương)
Sông Cà Lồ
(Phú
Cường)
1 U
max
14,9

10,1 19,5 12,6 12,9
2 L
max
122

102 285 271 105
3 CQOF 0,664

0,938 0,556 0,52 0,139
4 CKIF 214,8

383,6 839,5 444,4 200,5
5 CK1,2 20,2

29,4 24,1 21,6 44,3
6 TOF 0,403

0,232 0,0829 0,0497 0,0267
7 TIF 0,156

0,0537 0,946 0,253 0,0275
8 TG 0,0322

0,0231 0,502 0,204 0,122
9 CKBF 2966

1420 1252 1529 1008

Bảng 1-4: Hệ số Nash của quá trình hiệu chỉnh và kiểm định
Vị trí
Trạm dòng
chảy
Hiệu chỉnh Kiểm định
Năm tính toán

Nash Năm tính toán Nash
Sông Cầu
(Thác Riềng)
Thác Riềng (1990-1994) 0,762 (1995-1996) 0,618
Sông Cầu (Thác Riềng

- Thác Bưởi)
Thác Bưởi (1990-1994) 0,768 (1995-1996) 0,809
Sông Đu Giang Tiên (1962-1969) 0,672 (1970-1971) 0,753
Sông Công Tân Cương (1961-1972) 0,730 (1973-1976) 0,608
Sông Cà Lồ Phú Cường (1965-1973) 0,684 (1974-1975) 0,733

Đồ thị biểu thị quá trình biến đổi của dòng chảy thực đo và tính toán được trình bày ở
phần phụ lục II

1.2.2. Kết quả tính toán:
Để tính toán nguồn nước đến làm đầu vào cho quá trình tính toán cân bằng nước trên
lưu vực, căn cứ vào tình hình đo đạc thuỷ văn trên lưu vực ta phân chia LVS Cầu thành
các lưu vực bộ phận như bảng 3-5 (hình 1-1). Sử dụng bộ thông số của mô hình NAM
cho các trạm thủy văn trên lưu vực để khôi phục số liệu dòng chảy cho các tiểu lưu vực
lân cận vị trí của trạm thủy văn đó. Mục đích là để giảm sự sai khác về các điều kiện tự
nhiên và mặt đệm, qua đó cải thiện kết quả khôi phục.

Bảng 1-5: Các lưu vực bộ phận lưu vực sông Cầu
Lưu vực bộ phận Diện tích
(km
2
)
Trạm mưa Trọng số
Lưu vực trạm Thác Riềng
(Bộ thông số Thác Riềng)
712 Bắc Kạn 0,853
Thác Riềng 0,147
Lưu vực từ trạm Thác Riềng đến
Thác Bưởi
(Bộ thông số Thác Bưởi)

1508 Bắc Kạn, 0,059
Thác Riềng, 0,138
Định Hóa 0,168
Chợ Mới, 0,635
Lưu vực sông Đu (Bộ thông số
Giang Tiên)
380 Chợ Mới, 0,173
Định Hóa, 0,289
Đại Từ 0,538
Hạ Thác Huống
(Bộ thông số Thác Bưởi)
951 Thái Nguyên 1
Thượng Núi Cốc: Bộ thông số
trạm Tân Cương
497 Định Hóa 0,167
Đại Từ 0,833
Hạ Núi Cốc: Bộ thông số trạm
Tân Cương
464 Thái Nguyên 1
Lưu vực sông Cà Lồ (Bộ thông
số trạm Phú Cường)
924 Vĩnh Yên 1
Bắc Đuống (Bộ thông số trạm
Phú Cường)
594 Vĩnh Yên 0,696
Thái Nguyên 0,304

1.3. Nhận xét
Mô hình NAM là mô hình thông số tập trung nên chỉ thích hợp tính toán cho lưu vực
nhỏ, muốn áp dụng cho lưu vực lớn thì phải chia thành các lưu vực nhỏ để tính toán. Như

vậy luận văn sử dụng mô hình NAM để kéo dài số liệu cho các tiểu lưu vực sông thuộc
lưu vực sông Cầu là phù hợp.
Với bài toán cân bằng nước, chỉ số Nash càng lớn thì độ chính xác càng cao, ngoài ra
cũng cần quan tâm đến sai số tổng lượng W. Do kinh nghiệm tính toán còn hạn chế nên
kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình của luận văn có chỉ số Nash chưa cao, sai số
tổng lượng W còn lớn. Tuy nhiên với thời gian hạn hẹp của luận văn ở đây ta tạm chấp
nhận kết quả này. Để có thể sử dụng kết quả của mô hình trong bài toán thực tế cần tiếp
tục hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình để có kết quả tốt hơn.


CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKEBASIN TÍNH CÂN BẰNG
NƯỚC TRÊN LƯU VỰC SÔNG CẦU
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 quyết 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.
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,… Luận văn sử dụng mô hình
MIKE BASIN để tính toán cân bằng số lượng nước hệ thống lưu vực sông Cầu.

2.1. Giới thiệu mô hình MIKEBASIN
Mô hình MIKE BASIN là một công cụ cân bằng giữa nhu cầu về nước và nước có
sẵn theo cách tối ưu nhất giúp cho công tác quy hoạch lưu vực sông tổng hợp và quản lý
tài nguyên nước, do Viện thuỷ lực Đan Mạch (ĐHI) xây dựng. Nó là một mô hình toán
học thể hiện một lưu vực sông bao gồm cấu hình của các sông chính và các sông nhánh,
các yếu tố thuỷ văn của lưu vực theo không gian và theo thời gian, các công trình, hệ

thống sử dụng nước hiện tại và tương lai và các phương án sử dụng nước khác nhau. Mô
hình cũng biểu diễn cả tài nguyên nước ngầm và quá trình diễn biến nước ngầm. Mô đun
MIKE BASIN WQ bổ sung thêm chức năng mô phỏng chất lượng nước.

Hình 2-1: Cấu trúc mô hình và quá trình mô phỏng trong MIKE BASIN
Quan niệm toán học trong mô hình MIKE BASIN là tìm các lời giải ổn định cho mỗi
bước thời gian. Có thể dùng MIKE BASIN để tìm các giá trị điển hình đối với số lượng
và chất lượng nước trong hệ thống biến đổi chậm (ví dụ chu kỳ hàng năm của các tháng).
Ưu điểm của MIKE BASIN là tốc độ tính toán của nó cho phép vạch ra nhiều kịch bản
khác nhau. Sai số do nhiều giải pháp tính tạo ra không đáng kể khi bước thời gian của
quá trình không nhỏ hơn thời gian mô phỏng.
Mô hình hoạt động trên cơ sở một mạng lưới sông được số hoá và các thiết lập trực
tiếp trên màn hình máy tính trong ArcView GIS. Tất cả 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 đều được xác định trên màn hình.
Nhập liệu chủ yếu của mô hình bao gồm số liệu theo thời gian của dòng chảy trên lưu
vực của từng nhánh. Các tệp số liệu bổ trợ gồm các đặc tính hồ chứa và các quy tắc vận
hành của từng hồ chứa, liệt số liệu khí tượng và số liệu tương ứng với hệ thống hoặc cấp
nước như nhu cầu nước và các thông tin về dòng hồi quy.
Cơ sở lý thuyết của mô hình được trình bày trong phần phụ lục I.2

2.2. Ứng dụng mô hình MIKEBASIN tính toán cân bằng nước trên lưu vực sông
Cầu với các kịch bản khác nhau.
Để ứng dụng được mô hình cần phải tập trung vào các nội dung chủ yếu như sau:
- Thiết lập sơ đồ hệ thống cho bài toán mô phỏng cân bằng số lượng nước cho vùng
nghiên cứu
- Chuẩn bị số liệu đầu vào cho việc tính toán ứng dụng mô hình bao gồm vấn đề
hiệu chỉnh xác định bộ thông số và tính toán các phương án.
- Tính toán các phương án dựa trên sơ đồ và số liệu đo đạc.
2.2.1. Lập sơ đồ hệ thống và mô hình tính toán cho khu vực nghiên cứu

Các bước tiến hành xây dựng sơ đồ hệ thống cho bài toán cân bằng số lượng nước
sông Cầu như sau:
- Phân chia các lưu vực bộ phận để tính toán nguồn nước đến.
- Phân chia các vùng sử dụng nước cho nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt.
- Lập sơ đồ mô hình hệ thống.
2.2.1.1. Phân chia các lưu vực bộ phận
Việc phân chia các lưu vực bộ phận và tính toán số liệu dòng chảy đến các lưu vực
bộ phận đã được trình bày ở mục 3.2.2, chương III.
2.2.1.2. Phân chia các vùng sử dụng nước
Căn cứ theo các đặc điểm địa hình, sông suối, khí tượng thủy văn và các điều kiện tự
nhiên khác, tiến hành phân vùng sử dụng nước trên lưu vực sông Cầu. Các vùng sử dụng
nước được phân chia chủ yếu dựa vào nước dùng của nông nghiệp, trên cơ sở các vùng
sử dụng nước này sẽ tổng hợp lượng nước dùng của các ngành khác như công nghiệp,
sinh hoạt, thuỷ sản…
Ở đây ta xét 4 vùng tưới lớn trên lưu vực sông Cầu như sau:
a. Vùng tưới thượng lưu Thác Huống
Vùng thượng lưu Thác Huống bao gồm diện tích của các huyện: Bạch Thông, Chợ
Đồn, Thị xã Bắc Kạn, Chợ Mới, Phú Lương, Đồng Hỷ và một phần đất đai của các huyện
Đại Từ, Võ Nhai, Định Hóa, TP Thái Nguyên.
Toàn vùng có tổng diện tích tự nhiên 404.916 ha, đất canh tác là 31.149 ha.
Tiểu vùng có đặc điểm địa hình đa phần là đồi núi, nên ruộng đất phân tán nhỏ lẻ xen
kẽ giữa đồi núi và các khe lạch sông suối. Cao trình đất đai canh tác thường nằm cao hơn
so với mực nước sông suối, do đó việc xây dựng các công trình thủy lợi thường rất khó
khăn. Biện pháp công trình thủy lợi ở đây là các trạm bơm, hồ chứa, đập dâng vừa và
nhỏ, các công trình thường chỉ phục vụ độc lập cho từng khu tưới.
Vùng tưới thượng lưu Thác Huống được chia thành các tiểu khu dùng nước như sau:
- Tiểu khu Chợ Đồn, Bạch Thông, thị xã Bắc Kạn: tổng diện tích đất tự nhiên
211.813 ha, đất canh tác 9.098 ha
- Tiểu khu Định Hóa, Phú Lương: tổng diện tích đất tự nhiên: 39.646 ha, đất canh
tác 3.462 ha

- Tiểu khu Phú Lương, Võ Nhai, Đồng Hỷ: tổng diện tích đất tự nhiên 81.120 ha,
đất canh tác 6.471 ha
- Tiểu khu Đại Từ, Phú Lương: tổng diện tích đất tự nhiên 32.097 ha, đất canh tác
4.611 ha
- Tiểu khu Đồng Hỷ, TP Thái Nguyên: tổng diện tích đất tự nhiên 40.240 ha, đất
canh tác 7.508 ha.
b. Vùng tưới hạ lưu Thác Huống
Vùng tưới hạ lưu Thác Huống bao gồm diện tích của các huyện: Hiệp Hòa, Tân Yên,
Việt Yên, và một phần huyện Yên Dũng, thị xã Bắc Giang, huyện Phú Bình (tỉnh Thái
Nguyên). Toàn vùng có tổng diện tích tự nhiên 95.192 ha, đất canh tác là 45.815 ha.
Đặc điểm của vùng là ruộng đất tương đối tập trung và khá bằng phẳng, nằm trong
vùng hưởng lợi của hệ thống thủy nông sông Cầu nên nguồn nước tưới cho vùng là
nguồn nước mặt sông Cầu được lấy nhờ công trình đập dâng Thác Huống.
Công trình đập Thác Huống dài 100m có 5 khoang, H
đ
= 6,5 m, 
đỉnh đập
= 21,13m,
Q
tk
tràn = 1300 m
3
/s. Với nhiệm vụ thiết kế ban đầu là đảm bảo tưới cho 28000 ha diện
tích đất canh tác, với lưu lượng thiết kế Q
max
= 28m
3
/s, Q
min
= 12m

3
/s. Trong quá trình
quản lý và khai thác, do yêu cầu dùng nước trong hệ thống ngày càng tăng, hệ thống đã
được xây dựng bổ sung thêm một số công trình hồ, đập và các trạm bơm tưới hỗ trợ ven
sông Cầu. Song thực tế quá trình quản lý khai thác cho thấy các chỉ tiêu không đạt được
theo thiết kế ban đầu.
Vùng tưới hạ lưu Thác Huống được chia thành các tiểu khu dùng nước như sau:
- Tiểu khu đập Thác Huống:
Là khu lấy nước trực tiếp từ kênh Thác Huống. Tiểu khu bao gồm: huyện Tân Yên và
một phần các huyện Phú Bình, Việt Yên, Yên Dũng, Thị xã Bắc Giang. Có tổng diện tích
tự nhiên: 60.196 ha, diện tích đất canh tác là 26.830 ha.
- Tiểu khu trạm bơm Thác Huống
Tiểu khu bao gồm diện tích của các huyện Hiệp Hoà và một phần các huyện Việt
Yên, Yên Dũng. Nguồn nước tưới được lấy từ các sông suối nhỏ và được lấy từ sông Cầu
bằng các công trình trạm bơm ven sông. Tiểu khu có tổng diện tích tự nhiên: 34.995 ha,
diện tích đất canh tác là 18.984 ha.
c. Vùng tưới thượng lưu Núi Cốc
Từ hồ Núi Cốc trở lên, bao gồm một phần diện tích vùng thượng hồ Núi Cốc của
huyện Định Hoá và phần lớn diện tích đất huyện Đại Từ (23 xã). Toàn vùng có tổng diện
tích tự nhiên: 56.456 ha, diện tích đất canh tác là 7.955 ha. Hệ thống công trình trong
vùng gồm 55 hồ đập, 77 trạm bơm và 306 công trình tạm. Nguồn nước cấp chủ yếu cho
vùng là lấy nước trên các nhánh sông suối nhỏ bằng các hồ đập nhỏ và các trạm bơm lấy
nước trực tiếp trên sông Công. Các hồ chứa và đập dâng tiêu biểu như: hồ Bản Ngoạ, đập
Hoàng Nông, hồ Gò Miếu…
d. Vùng tưới hạ Núi Cốc
Từ hồ Núi Cốc trở xuống, bao gồm diện tích của các huyện, thị: thị xã Sông Công,
huyện Phổ Yên, và một phần huyện Phú Bình, Thành phố Thái Nguyên. Toàn vùng có
tổng diện tích tự nhiên: 46.463 ha, diện tích đất canh tác là 15.225 ha. Nguồn nước tưới
cho vùng này chủ yếu lấy từ hệ thống kênh Núi Cốc, ngoài ra còn ở những vùng cao cục
bộ thì xây dựng các trạm bơm tưới cấp II khai thác nước từ các kênh tưới Núi Cốc phía

hữu sông Công và xây dựng các hồ, đập nhỏ để lấy nước tưới như ở thị xã sông Công có
2 xã nằm ở hữu sông Công là Bình Sơn và Vinh Sơn, huyện Phổ Yên có 6 xã, huyện Đại
Từ có 2 xã, thành phố Thái Nguyên có xã Tân Cương.
Nhiệm vụ thiết kế của hệ thống Núi Cốc: Cấp nước tưới cho 12000 ha đất canh tác
khu vực phía Nam của tỉnh Thái Nguyên với lưu lượng thiết kế max qua cống là 30m
3
/s,
kết hợp cấp nước cho khu công nghiệp Gang thép Thái Nguyên với Q
tk
công nghiệp là
7,2 m
3
/s. Ngoài ra hồ Núi Cốc còn có nhiệm vụ cấp nước hỗ trợ hệ thống thuỷ nông sông
Cầu vào các tháng mùa kiệt với Q bổ sung là 11-12 m
3
/s, song thực tế mới chỉ cung cấp
được 4-6 m
3
/s.
2.2.1.3. Lập sơ đồ hệ thống


Hình 2-2: Sơ đồ tính toán cân bằng nước lưu vực sông Cầu
Khu thư
ợng Thác
Huống
Khu CN Thái
Nguyên
Đập Thác Huống
Khu Thư

ợng
Núi Cốc
Khu H
ạ
Núi Cốc
Hồ Núi Cốc
Ti
ếp n
ư
ớc đập
Thác Huống
Sông Công

Khu Hạ Thác Huống

Hình 2-3: Sơ đồ mô phỏng hệ thống sử dụng nước lưu vực sông Cầu theo mô hình
Mike Basin
Theo sơ đồ hệ thống trên thì các khu tưới nhỏ trong từng vùng sẽ được tập hợp lại
thành môt khu tưới lớn, tập trung lấy nước tại một nút trên sông và lượng nước hồi quy
lại sông được coi như xả tập trung tại một nút. Các khu công nghiệp, sinh hoạt dùng nước
mặt trên hệ thống sông được tập hợp theo vùng, tập trung lấy nước tại một nút trên sông
và lượng nước thải được quay trở lại sông tại các nút xả.
a. Nút tưới
Các vùng tưới được đưa vào mô hình dưới dạng các nút tưới có các đặc điểm như
thống kê trong bảng 4-1.
Bảng 2-1: Khu dùng nước và diện tích tương ứng của từng vùng
Vùng sử dụng nước Kí hiệu nút
Thượng Thác Huống I1
Hạ Thác Huống I2
Thượng Núi Cốc I3

Hạ Núi Cốc I4
b. Nút cấp nước
Đặc điểm chung của các khu dân cư trên lưu vực sông Cầu là dùng nước ngầm, chỉ
có Thành phố Thái Nguyên, thị xã sông Công và một số khu công nghiệp, làng nghề
dùng nước mặt. Các hoạt động dùng nước mặt trên lưu vực được đưa vào mô hình dưới
dạng nút cung cấp nước, ký hiệu và đặc điểm của các nút này được thống kê trong bảng
4-2:
Bảng 2-2: Các nút cấp nước cho dân sinh, công nghiệp
Khu cấp nước Ký hiệu nút
Thượng Thác Huống W1
Hạ Thác Huống W2
Thượng Núi Cốc W3
Hạ Núi Cốc W5
Khu công nghiệp Thái Nguyên W4

c. Nút công trình thuỷ lợi
Trong mô hình Mike Basin cho phép mô phỏng các quá trình hoạt động, quá trình
vận hành của các công trình thuỷ lợi như: Đập dâng, hồ chứa nước, cống lấy nước vào
kênh. Xét trên lưu vực sông Cầu có hai hệ thống công trình thuỷ lợi lớn đó là: Hệ thống
thuỷ lợi đập dâng Thác Huống và hệ thống thuỷ lợi hồ Núi Cốc.
- Đập dâng Thác Huống được mô phỏng trong mô hình dưới dạng nút phân chia
nước vào kênh, lượng nước phân chia được giới hạn bởi lưu lượng thiết kế lớn nhất của
kênh Q
max
=28m
3
/s.
- Hồ Núi Cốc được mô phỏng bởi một nút hồ chứa với các thông số của hồ Núi Cốc
như sau:
Ký hiệu nút: R14

Mực nước chết là 34m, dung tích chết Wc = 7,5.10
6
m
3

Mực nước dâng bình thường là 46,2m tương ứng với dung tích hồ W
hồ
=175,5.10
6
m
3

Mực nước gia cường ứng với tần suất lũ 0,5% là 48,25m, dung tích hồ tương ứng với
mực nước lũ là W
gia cường
= 226,48.10
6
m
3

d. Các thông số của mô hình
Các thông số tính toán cân bằng nước của mô hình được xác định thông qua hệ số tổn
thất vào nước ngầm và hệ số hồi quy.
- Hệ số tổn thất vào dòng chảy ngầm được xác định chung cho các khu vực: 1%
- Hệ số hồi quy trở lại sông được xác định dựa trên đặc điểm của khu vực sử dụng
nước. Đối với nút tưới ở khu vực đồng bằng, hệ số được lấy bằng 20%, khu vực miền núi
được lấy bằng 25%. Đối với các nút cấp nước hệ số hồi quy được lấy bằng 70%.

2.2.2. Tính toán nhu cầu sử dụng nước:
Nước là nhu cầu thiết yếu đối với các hoạt động phát triển kinh tế xã hội và cuộc

sống của con người. Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế và sự bùng nổ
về dân số thì nhu cầu sử dụng nước cũng tăng theo. Nhu cầu nước cho các hoạt động kinh
tế xã hội trên lưu vực bao gồm: Nhu cầu nước cho nông nghiệp, dân sinh, công nghiệp,
chăn nuôi và cho thuỷ sản.
 Nhu cầu nước cho nông nghiệp
 Nhu cầu nước của các loại cây trồng
Tính toán nhu cầu nước cho các loại cây trồng thực chất là bài toán cân bằng nước tại
mặt ruộng cho các khu tưới và tổng hợp cho toàn hệ thống với các kiểu bố trí cây trồng
khác nhau vào những thời điểm khác nhau.
Luận văn sử dụng phần mềm CROPWAT để tính toán nhu cầu nước cho cây trồng tại
khu vực tính toán. Cơ sở lý thuyết của mô hình được trình bày ở phần phụ lục I.5
Số liệu đầu vào của chương trình bao gồm: Số liệu khí hậu và số liệu về cây trồng.
 Tài liệu khí hậu:
- Nhiệt độ không khí (Tmax và Tmin), độ ẩm không khí (%), tốc độ gió (km/ngày),
số giờ nắng (giờ/ngày). Các yếu tố trên được tính theo trung bình tháng trung bình nhiều
năm. Trong đó:
+ Khu thượng Thác Huống: sử dụng tài liệu khí tượng trạm Bắc Kạn
+ Khu thượng Núi Cốc: sử dụng tài liệu khí tượng trạm Định Hóa
+ Khu hạ Thác Huống và hạ Núi Cốc: sử dụng tài liệu khí tượng trạm Thái Nguyên
Bảng 2-3: Tài liệu khí tượng phục vụ tính toán nhu cầu nước cho nông nghiệp
Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Trạm khí tượng thủy văn Bắc cạn
Nhiệt độ (
0
C) 14,6

16 19,2

21,7

26,1 27,3

27,1

26,7 25,7 22,9 19,1

15,8

Độ ẩm (%) 82 82 83 84 83 85 86 87 86 84 83 82
Tốc độ gió 1,4 1,5 1,3 1,2 1,2 1 0,9 0,8 0,9 1,1 1,4 1,3
Số giờ nắng 68 52 60 94 161 160 170 177 179 152 129 112
NĐộ tối đa tb 19,3

20,7

24 27,8

31,2 32,5

32,6

32,2 30,8 27,9 23,9

20,5

NĐộ tối thấp 11,9

13,2

16,3

19,7

22,8 24 24,1

23,7 22,5 19,8 16,1

13
Mưa tb tháng 22,3

28,8

55,9

110 183,4

265 286 277,3

154,4

85,4 41,7

18,3

Trạm khí tượng thủy văn Định Hóa
Nhiệt độ (
0
C) 15,1

16,4

19,5

23,3

26,7 27,9

28,1

27,5 26,3 23,6 19,8

16,5

Độ ẩm (%) 82 83 85 86 83 84 87 86 86 83 83 81
Tốc độ gió 1,2 1,3 1,2 1,4 1,3 1,2 1,2 1,1 1,1 1,1 1,1 1,2
Số giờ nắng 46 42 36 49 140 141 124 161 158 160 118 89
NĐộ tối đa tb 19,8

20,6

23,5

27,4

31,4 32,5

32,7

32,4 31,3 28,4 24,8

21,3

NĐộ tối thấp 12,8

14,2

17,1

20,7

23,5 24,8

25 24,6 23,3 20,5 16,8

13,7

Mưa tb tháng 21,4

30 56,6

103 212,4

275 336 301 170,3

111,4

40,8

17,2

Trạm khí tượng thủy văn Thái Nguyên
Nhiệt độ (
0
C) 15,6

16,8

19,7

23,5

27,1 28,4

28,5

27,9 26,9 24,4 20,7

17,4

Độ ẩm (%) 80 82 85 86 82 93 83 86 83 80 19 78
Tốc độ gió 1,4 1,5 1,5 1,7 1,8 1,5 1,5 1,3 1,3 1,4 1,3 1,5
Số giờ nắng 68 48 45 68 172 163 185 179 186 179 148 118
NĐộ tối đa tb 20,1

20,9

23,8

27,9

31,8 33,2

33,4

32,9 31,9 29,3 25,6

22,3

NĐộ tối thấp 13,3

14,5

17,2

20,8

23,9 25,2

25,3

24,9 23,9 21,4 17,8

14,6

Mưa tb tháng 25,3

33,8

61 118 234,8

325 425 349,4

241,3

144,7

49 22,7


- Mưa tháng ứng với tần suất thiết kế:
* Tần suất tính toán
+ Tần suất bảo đảm tưới: theo tiêu chuẩn thiết kế, mức đảm bảo của công trình thủy
lợi (mức đảm bảo thiết kế) phải căn cứ vào yêu cầu về cung cấp nước. Theo tiêu chuẩn
TCVN285-2003, công trình đáp ứng yêu cầu về cung cấp nước cho tưới ruộng phải có
mức đảm bảo 75%, do đó tần suất tính toán được chọn là P=75%.
+ Tần suất mưa: chọn bằng tần suất bảo đảm tưới P=75%
* Thời vụ tính toán: Thời vụ tính toán được chọn phụ thuộc vào yêu cầu sản xuất của
nông dân tùy thuộc vào từng địa phương, thời tiết, giống cây trồng và nguồn nước.
Đối với khu vực sông Cầu, thời vụ tính toán được chọn như sau:
Vụ chiêm: từ tháng I-VI
Vụ mùa: từ tháng VI-X
Vụ đông: từ tháng X-I
* Mô hình mưa vụ thiết kế:
+ Liệt số liệu mưa: Một chuỗi quan trắc mưa được gọi là đủ khi kết quả tính toán
đảm bảo sai số cho phép, đảm bảo tính đại biểu và ổn định vì thế trạm đo Bắc Kạn, Định
Hóa, Thái Nguyên có chuỗi số liệu từ năm 1957 – 2009 được chọn.
+ Từ tài liệu mưa tiến hành xây dựng đường tần suất mưa vụ cho 3 trạm: Bắc Kạn,
Định Hóa, Thái Nguyên ta xác định được lượng mưa từng thời vụ ứng với tần suất
P=75%
+ Chọn mô hình đại biểu: chọn trong số năm quan trắc một vụ mưa có lượng mưa

bằng hoặc xấp xỉ lượng mưa vụ thiết kế làm mô hình mưa vụ đại biểu
+ Xác định hệ số thu phóng K
vụ
= X
vụP%
/ X
đb

+ Thu phóng mô hình mưa đại biểu thành mô hình mưa vụ thiết kế, kết quả được
trình bày ở bảng 4-4
Bảng 2-4: Mô hình mưa vụ thiết kế với tần suất P=75%
Đơn vị: mm
Mùa vụ Tháng Bắc Kạn Định Hóa Thái Nguyên

Vụ chiêm
1 48,1 3 54,7
2 2,1 23,2 14,5
3 31 92,9 34
4 125,5 108,1 132,5
5 163,5 68,9 85,6
6 151,5 279,5 223,1
Vụ mùa
6 210,9 333,7 310,4
7 185,5 141,8 284,8
8 309,8 184,9 281,7
9 74 214,5 103,6
10 151,6 118,6 159,6
Vụ đông
10 50,4 72,3 158
11 10,2 22,2 9,1

12 7,7 11,4 11
1 35,1 8,8 46,9


 Tài liệu về cây trồng và cơ cấu sử dụng đất nông nghiệp:
Bảng 2-5: Lịch thời vụ của một số cây trồng chính trong lưu vực của các khu tưới

Đối với khu vực trung du và đồng bằng
Thời đoạn
Lúa chiêm Lúa mùa
Từ Đến Số ngày Từ Đến Số ngày
Cấy - Bén rễ 5/II 24/II 10 1/VII 19/VII 10
Bén rễ - Đẻ nhánh 25/II 25/III 30 20/VII 13/VIII

25
Đẻ nhánh - Làm đòng 26/III 29/IV

30 14/VIII

14/IX 25
Làm đòng - Trổ bông 30/IV

14/V 25 15/IX 29/IX 25
Trổ bông - Chín vàng 15/V 24/V 15 30/IX 9/X 15
Tổng


110

100

Thời đoạn
Màu chiêm Màu mùa Màu đông
Từ Đến
Số
ngày

Từ Đến
Số
ngày

Từ Đến
Số
ngày

Gieo - Mọc 3 lá 1/II 14/II 15 20/VI 4/VII 15 10/X 24/X 15
3 lá – Trổ cờ 15/II 16/IV

60 5/VII 23/VIII

50 25/X 9/XII 50
Trổ cờ - Chín sữa 17/IV

16/V 30 24/VIII

22/IX 30 10/XII

29/XII

20
Chín sữa - Chín
vàng
17/V 31/V 15 23/IX 7/X 15 30/XII

8/I 10

Đối với khu vực miền núi
Thời đoạn Lúa chiêm Lúa mùa

Từ Đến Số ngày Từ Đến
Số
ngày
Cấy - Bén rễ 15/II 4/III 10 10/VI 29/VII 10
Bén rễ - Đẻ nhánh 5/III 4/IV 30 30/VII 23/VIII

25
Đẻ nhánh - Làm đòng 6/IV 9/V 30 24/VIII

22/IX 25
Làm đòng - Trổ bông 10/V 24/V 25 23/IX 7/X 25
Trổ bông - Chín vàng 25/V 3/VI 15 8/X 17/X 15
Tổng


110


100

Thời đoạn
Màu chiêm Màu mùa Màu đông
Từ Đến
Số
ngày

Từ Đến
Số
ngày

Từ Đến
Số
ngày

Gieo - Mọc 3 lá 10/II 24/II 15 25/VI 9/VII 15 10/X 24/X 15
3 lá – Trổ cờ 25/II 24/IV

60 10/VII 28/VIII

50 25/X 9/XII 50
Trổ cờ - Chín sữa 25/IV

24/V 30 29/VIII

27/IX 30 10/XII

29/XII

20
Chín sữa - Chín

vàng
25/V 8/VI 15 28/IX 12/X 15 30/XII

8/I 10

Bảng 2-6: Hiện trạng sử dụng đất nông nghiệp lưu vực sông Cầu
Đơn vị: ha
Vùng


Loại đất
Toàn lưu
vực
Tổng
cộng
Khu
thượng
Thác
Huống
Khu
hạ
Thác
Huống

Khu
thượng
Núi
Cốc
Khu
hạ

Núi
Cốc
Tổng diện tích tự nhiên 1.416.129

799.822

404.916

95.192

56.456

46.463

Đất nông nghiệp 326.976

241.834

44.956

55.158

11.782

23.855

I. Đất trồng cây hàng năm 255.703

192.294

31.149

45.815

6.623

15.264

1. Đất lúa màu 221.438

168.804

23.033

41.783

6.086

11.741

a. Đất 2 vụ 111.816

86.744

4.684

22.538

2.975

6.408

- 2 vụ lúa 81.504

65.604

4.684

17.275

2.975

4.308

- 1 vụ lúa + 1 vụ màu 30.311

21.140

5.263

2.100

b. Đất một vụ 65.782

42.218

11.949

11.074

1.446

2.677

- 1 vụ chiêm 27.641

21.348

7.607


- 1 vụ mùa 38.143

20.870

11.949

3.467

1.446

2.677

c. Đất mạ 6.037

4.262

15

1.663

144

2. Đất màu + Cây CNNN 33.841

23.065

8.084

4.032

537

3.444

II. Đất trồng cây lâu năm 27.632

16.887

9.111

505

3.427

2.089

1. Đất trồng cây CN 15.994

12.656

7.078

103

3.039

1.471

2. Đất trồng cây ăn quả 11.304

4.038

2.033

383

388

618

3. Đất trồng cây lâu năm
khác 334

193

19

Bảng 2-7: Quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp lưu vực sông Cầu (giai
đoạn 2010 - 2020)
Đơn vị: ha
Vùng


Loại đất
Toàn lưu
vực
Tổng
cộng
Khu
thượng
Thác
Huống
Khu
hạ
Thác
Huống

Khu
thượng
Núi
Cốc
Khu

hạ
Núi
Cốc
Tổng diện tích tự nhiên 1.416.129

799.822

404.916

95.192

56.456

46.463

Đất nông nghiệp 411.993

253.465

60.559

54.673

12.942

22.462

I. Đất trồng cây hàng năm 268.222

198.547

39.964

45.871

6.907

14.661

1. Đất lúa màu 220.705

164.300

23.939

41.482

6.263

11.411

a. Đất 2 vụ 100.194

71.935

5.270

18.020

2.963

5.156

- 2 vụ lúa 72.314

56.578

5.270

14.062

2.963

5.156

- 1 vụ lúa + 1 vụ màu 27.880

15.357


3.958



b. Đất một vụ 42.658

26.385

8.208

6.613

1.000

981

- 1 vụ chiêm 17.836

13.157


4.537



- 1 vụ mùa 24.822

13.228

8.208

2.076

1.000

981

c. Đất mạ 4.195

3.586

175

1.328


246

2. Đất màu + Cây CNNN 44.369

31.099

16.025

4.389

644

522

II. Đất trồng cây lâu năm 69.570

30.763

18.202

2.534

4.573

1.745

1. Đất trồng cây CN 28.435

17.372

9.700

1.141

3.200

1.341

2. Đất trồng cây ăn quả 40.251

12.950

8.502

1.332

1.373

404

3. Đất trồng cây lâu năm khác 883

411

61


404







 Kết quả tính toán:
Bảng 2-8: Kết quả tính toán nhu cầu nước cho vùng Thượng Thác Huống (P=75%)
Đơn vị m (m3/ha)
q (l/s.ha)
t (ngày)

Loại cây
trồng Tháng

I II III IV V VI VII VIII

IX X XI XII

Tổng

Cây lúa
m 1104

2276

1281

1264

1940

1852

1726

1361

12804

t 16 24 25 18 20 19 16 15
q 0,72

0,8 0,79

0,79

0,75

0,78

0,76

0,74

Cây hoa
màu
m 200 253

398

268

240

200

253 398

268

450

300

320

3548

t 6 8 12 9 8 6 8 12 9 15 9 10
q 0,54

0,52

0,59

0,54

0,55

0,4 0,45

0,54

0,44

0,59

0,58

0,6
Cây ăn
quả
m 360 370

260

420

440

430

410

370

3060

t 10 10 7 11 11 11 11 10
q 0,42

0,43

0,43

0,44

0,46

0,45

0,43

0,43

Cây CN
m 380 480

400

620

260

230 670

670

610

500

4820

t 10 12 11 16 7 6 17 17 16 14
q 0,44

0,46

0,42

0,45

0,43

0,44

0,46

0,46

0,44

0,41