(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE BASIN đánh giá cân bằng nước cho tỉnh Phú Thọ trong bối cảnh biến đổi khí hậu

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 BASIN
ĐÁNH GIÁ CÂN BẰNG NƯỚC CHO TỈNH PHÚ THỌ
TRONG BỐI CẢNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

CHUYÊN NGÀNH: KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN

VŨ KHẮC TÚ

HÀ NỘI - 2019


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 BASIN
ĐÁNH GIÁ CÂN BẰNG NƯỚC CHO TỈNH PHÚ THỌ
TRONG BỐI CẢNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
CHUYÊN NGÀNH: KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN

VŨ KHẮC TÚ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRƯƠNG VÂN ANH

HÀ NỘI - 2019

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 chấm phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Kiên Dũng

Cán bộ chấm phản biện 2: PGS.TS. Hoàng Minh Tuyển

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 21 tháng 01 năm 2019


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Họ và tên học viên : Vũ Khắc Tú
Lớp : CH2BT

Khóa: 2016- 2018

Cán bộ hướng dẫn: Ts. Trương Vân Anh
Tên đề tài : Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE BASIN đánh giá cân bằng nước
cho tỉnh Phú Thọ trong bối cảnh biến đổi khí hậu.
Tóm tắt
Tóm tắt luận văn cao học Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE BASIN đánh giá
cân bằng nước cho tỉnh Phú Thọ trong bối cảnh biến đổi khí hậu
1. Mục tiêu của luận văn
Nghiên cứu công cụ mô hình MIKE BASIN trong bài toán cân bằng nước.
Đánh giá trữ lượng tài nguyên nước hiện trạng và trong tương lai trong bối cảnh

biến đổi khí hậu
2. Phạm vi nghiên cứu
Tài nguyên nước tỉnh Phú Thọ
3. Ý nghĩa của luận văn
- Về ý nghĩa khoa học: Đã sử dụng mô hình MIKE BASIN cân bằng nước tỉnh
Phú Thọ hiện trạng và trong tương lai trong bối cảnh biến đổi khí hậu.
- Về ý nghĩa thực tiễn: Từ đó làm cơ sở cho việc quy hoạch sử dụng hợp lý tài
nguyên nước.
4. Kết quả
- Đã ứng dụng thành công mô hình MIKE NAM, MIKE MUSKINGUM tính
toán dòng chảy đến từng tiểu lưu vực.
- Ứng dụng thành công mô hình CROPWAT tính nhu cầu nước nông nghiệp
và xác định nhu cầu nước của các ngành hiện trạng và tương lai
- Kết quả tính toán cân bằng nước theo quy hoạch phát triển kinh tế xã hội đến
năm 2030 bằng mô hình MIKE BASIN trong bối cảnh biến đổi khí hậu cho thấy
tình trạng thiếu nước tập chung vào mùa kiệt tại 5 tiểu lưu vực là PT_TNG1,
PT_TNG2, PT_TPL53, PT_TDD, PT_TPL61 với tổng lượng thiếu hụt là 8,71.106
m3/năm so với hiện trạng là 1,83 106 m3/năm


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân,
được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS.Trương Vân Anh.
Các số liệu, những kết luận được trình bày trong luận văn này trung thực và
chưa từng được công bố dưới bất kì hình thức nào.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Học viên

Vũ Khắc Tú

LỜI CẢM ƠN
Qua một thời gian nghiên cứu thực hiện, đến nay luận văn thạc sĩ đề tài
“Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE BASIN đánh giá cân bằng nước cho tỉnh
Phú Thọ trong bối cảnh biến đổi khí hậu” đã hoàn thành.
Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Trương Vân Anh, người đã tận
tình và hướng dẫn, góp ý chỉ bảo trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận
văn này.
Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, cô giáo trong Khoa Khí
tượng – Thủy văn, Phòng Đào tạo sau Đại học – Trường Đại học Tài nguyên và
Môi trường Hà Nội đã tận tình giúp đỡ, truyền đạt kiến thức chuyên môn trong suốt
quá trình học tập.
Với thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những khiếm
khuyết, học viên rất mong nhận được sự góp ý của các thầy, cô giáo, các cán bộ
khoa học và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.
Hà Nội,

tháng

Học viên

Vũ Khắc Tú

năm 2018


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH
DANH MỤC BẢNG
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. Đặt vấn đề ...............................................................................................................1
2. Mục tiêu của luận văn .............................................................................................2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................2
5. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG NƯỚC VÀ KHU
VỰC NGHIÊN CỨU ..................................................................................................3
1.1. Tổng quan về cân bằng nước hệ thống ................................................................3
1.2 Các nghiên cứu trước đây liên quan đến cân bằng nước ......................................4
1.3. Tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước............................................6
1.3.1. Trên thế giới ......................................................................................................6
1.3.2. Việt Nam ...........................................................................................................7
1.4. Giới thiệu một số mô hình....................................................................................8
1.4.1. Các mô hình tính lượng nước đến .....................................................................8
1.4.2. Mô hình tính nhu cầu nước .............................................................................10
1.4.3. Các mô hình tính cân bằng nước .....................................................................10
1.5. Tổng quan về khu vực nghiên cứu .....................................................................12
1.5.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên .................................................................................12
1.5.2. Đặc điểm khí hậu và mạng lưới sông ngòi .....................................................15
1.5.3. Hiện trạng phát triển kinh tế - xã hội ..............................................................23
1.6. Mục tiêu phát triển và các chỉ tiêu kinh tế xã hội chủ yếu.................................27


1.6.1. Mục tiêu phát triển xã hội ...............................................................................27
1.6.2. Định hướng phát triển các ngành ....................................................................28
1.7. Hiện trạng khai thác, sử dụng nước ...................................................................30
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................32

2.1. Tóm tắt cơ sở lý thuyết mô hình ........................................................................34
2.1.1. Mô hình NAM .................................................................................................34
2.1.2. Mô hình CROPWAT.......................................................................................37
2.1.3. Mô hình MIKE BASIN ...................................................................................39
2.2. Cơ sở số liệu .......................................................................................................41
2.2.1. Số liệu tính toán ..............................................................................................41
2.3. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................42
2.3.1. Cơ sở lựa chọn phương pháp ..........................................................................42
2.3.2. Phương án cân bằng tài nguyên nước mặt ......................................................43
1.2. Kịch bản BĐKH tỉnh Phú Thọ ...........................................................................43
2.4. Chỉ tiêu cấp nước ...............................................................................................44
2.4.1 Hiện trạng .........................................................................................................44
2.4.2. Tương lai .........................................................................................................48
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE BASIN CÂN BẰNG
NƯỚC CHO TỈNH PHÚ THỌ .................................................................................51
3.1. Phân vùng tiểu vùng dùng nước .........................................................................51
3.3.1. Nguyên tắc phân vùng sử dụng nước ..............................................................51
3.3.2. Phân vùng sử dụng nước tỉnh Phú Thọ ...........................................................51
3.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ......................................................................54
3.2.1. MIKE NAM ....................................................................................................54
3.2.2. MIKE 11-Muskingum .....................................................................................57
3.3. Tính toán cân bằng nước điều kiện hiện tại .......................................................60
3.3.1. Lượng nước đến các tiểu vùng ........................................................................62
3.3.2. Tính toán nhu cầu nước của các tiểu vùng ......................................................63
3.3.4. Tính toán cân bằng nước hiện trạng cho tỉnh Phú Thọ ...................................66


3.4. Tính toán cân bằng nước trong điều kiện BĐKH ..............................................72
3.4.1. Lượng nước đến các tiểu vùng ........................................................................72
3.4.2. Lượng nước đến theo kịch bản BDKH ...........................................................75

3.4.3. Nhu cầu nước theo kịch bản BĐKH ...............................................................76
3.4.4. Tính toán cân bằng nước tương lai theo kịch bản BĐKH ..............................80
Hình 3.22. Bản đồ % lượng thiếu hụt nước cấp năm 2030 .......................................87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................89
1. Kết luận .................................................................................................................89
2. Kiến nghị ...............................................................................................................90
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................91
PHỤ LỤC ..................................................................................................................94


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
MIKE: Bộ mô hình thủy lực và thủy văn lưu vực Viện Thủy lực Đan Mạch;
NAM: Mô hình dòng chảy của Đan Mạch (Nedbor-AfstromningsModel);
SWAT: Mô hình mô phỏng dòng chảy mặt qua độ ẩm đất (Soil and Water
Assessment Tool);
IPPC: Công ước bảo vệ thực vật quốc tế (International Plant Protection
Convention);
IMRR: Integrated and sustainable water Management of Red- Thai Binh
Rivers System in changing climate;
SRES: Báo cáo về các kịch bản phát thải (Special Report on Emissions
Scenarios);
WEAP: Mô hình hệ thống đánh giá và phát triển nguồn nước (Water
Evaluation and Planning System);
CROPWAT: Mô hình tính nhu cầu tưới của cây trồng theo chỉ tiêu sinh thái;
BASINS: Mô hình được xây dựng bởi Cơ quan Bảo vệ Môi trường (Hoa Kỳ);
MIKE BASIN: Mô hình tính cân bằng nước hệ thống cho lưu vực;
BĐKH: Biến đổi khí hậu;
CCN: Cụm công nghiệp;
KCN: Khu công nghiệp;
KNK: Khí nhà kính;

FAO: Tổ chức lương thực và nông nghiệp Liên Hợp Quốc (Food and
Agriculture Organization of the United Nations).


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Bản đồ hành chính tỉnh Phú Thọ ...............................................................13
Hình 1.2. Diện tích đất đai tỉnh Phú Thọ giai đoạn 2005 – 2017 .............................15
Hình 1.3. Sơ đồ mạng lưới trạm khí tượng thủy văn trên tỉnh Phú Thọ ...................19
Hình 1.4. Phân phối mưa theo mùa ...........................................................................20
Hình 1.5. Phân phối mưa theo tháng .........................................................................21
Hình 1.6. Phân phối mùa mưa theo 3 tháng lớn nhất và nhỏ nhất ............................21
Hình 3.1. Vị trí các tiểu vùng ....................................................................................53
Hình 3.2. Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo trạm Thanh Sơn năm
1999 (hiệu chỉnh) ......................................................................................................55
Hình 3.4. Đường quá trình tính toán thực đo trên sông Thao (hiệu chỉnh) ..............56
Hình 3.5. Đường quá trình tính toán thực đo trên sông Thao (kiểm định) ...............56
Hình 3.6. Đường quá trình tính toán thực đo trạm Hàm Yên trên sông Lô (hiệu
chỉnh) .........................................................................................................................57
Hình 3.7. Đường quá trình tính toán thực đo trạm Hàm Yên trên sông Lô (kiểm
định) ..........................................................................................................................57
Hình 3.8. Đường quá trình tính toán và thực đo trạm Vụ Quang trên sông Lô (Hiệu
chỉnh) .........................................................................................................................59
Hình 3.9. Đường quá trình tính toán và thực đo trạm Vụ Quang trên sông Lô (Kiểm
định) ..........................................................................................................................59
Hình 3.10. Sơ đồ hóa tính cân bằng nước tỉnh Phú Thọ ...........................................61
Hình 3.11. Nhu cầu sử dụng nước sinh hoạt tỉnh Phú Thọ theo năm hiện trạng .....63
Hình 3.12. Nhu cầu nước công nghiệp tỉnh Phú Thọ theo năm hiện trạng...............64
Hình 3.13. Tổng hợp nhu cầu nước nông nghiệp năm hiện trạng.............................65
Hình 3.14. Tổng hợp nhu cầu nước cho các tiểu vùng theo năm hiện trạng ............65
Hình 3.15. Số hóa hệ thống sông suối khu vực nghiên cứu ......................................66

Hình 3.16. Thiết lập số liệu các ngành sử dụng nước ...............................................67
Hình 3.17. Bản đồ phần trăm lượng nước thiếu hụt năm hiện trạng ........................71


Hình 3.18. Dự báo nhu cầu nước sinh hoạt, dịch vụ tỉnh Phú Thọ năm 2030 ..........77
Hình 3.19. Dự báo nhu cầu nước công nghiệp tỉnh Phú Thọ năm 2030 ...................78
Hình 3.20. Tổng hợp nhu cầu nước nông nghiệp tỉnh Phú Thọ năm 2030 ...............79
Hình 3.21. Tổng hợp nhu cầu nước cho các tiểu vùng theo năm 2030 theo kịch bản
BKKH........................................................................................................................79
Hình 3.22. Bản đồ % lượng thiếu hụt nước cấp năm 2030 .......................................87


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Nhiệt độ bình quân tháng, năm tại các trạm quan trắc thời kỳ 1959 -2017 ..... 15
Bảng 1.2. Tổng số giờ nắng tháng, năm tại trạm quan trắc thời kỳ 1959- 2017.......16
Bảng 1.3. Lượng bốc hơi tháng, trung bình năm tại các trạm quan trắc thời kỳ 1959
-2017..........................................................................................................................16
Bảng 1.4. Độ ẩm bình quân tháng, năm tại các trạm quan trắc thời kỳ 1959-2017 17
Bảng 1.5. Danh sách mạng lưới trạm khí tượng và lượng mưa bình quân trên địa
bàn tỉnh Phú Thọ .......................................................................................................17
Bảng 1.6. Cơ cấu kinh tế và cơ cấu lao động một số năm ........................................25
Bảng 1.7. Tổng hợp một số chỉ tiêu phát triển kinh tế xã hội đến năm 2030 ...........28
Bảng 2.1. Các trạm khí tượng, thủy văn được đưa vào tính toán .............................41
Bảng 2.2. Tiêu chuẩn cấp nước cho hoạt động dịch vụ, công cộng..........................45
Bảng 2.3. Mức tưới của các loại cây trồng năm hiện trạng ......................................46
Bảng 2.4. Tiêu chuẩn cấp nước cho các loại vật nuôi...............................................47
Bảng 2.5. Tiêu chuẩn cấp nước cho thủy sản nước ngọt ..........................................47
Bảng 2.6. Tiêu chuẩn cấp nước cho hoạt động dịch vụ, công cộng..........................49
Bảng 2.7. Mức tưới của các loại cây trồng tương lai theo kịch bản BĐKH .............50
Bảng 3.1. Bộ thông số mô hình MIKE NAM ...........................................................54

Bảng 3.2. Chỉ số NASH hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE NAM ................54
Bảng 3.3. Hệ số NASH hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE 11 .......................59
Bảng 3.4. Kết quả tính toán lượng dòng chảy đến tại các tiểu lưu vực năm 2017
bằng mô hình MIKE NAM .......................................................................................62
Bảng 3.5. Tổng hợp kết quả cân bằng nước cho năm hiện trạng (năm 2017) ..........68
Bảng 3.6. Biến đổi nhiệt độ trung bình các mùa theo kịch bản RCP4.5 so với thời kỳ
cơ sở ..........................................................................................................................72
Bảng 3.7. Biến đổi lượng mưa (%) các mùa theo kịch bản RCP4.5 so với thời kỳ cơ
sở ...............................................................................................................................72


Bảng 3.8. Kết quả tính toán lượng dòng chảy đến tại các tiểu lưu vực năm 2030
bằng mô hình MIKE NAM .......................................................................................75
Bảng 3.9. Kết quả tính toán lượng dòng chảy đến trên sông Lô năm 2030..............76
Bảng 3.10. Tổng hợp kết quả cân bằng nước cho tương lai ứng với kịch bản BDKH
(năm 2030) ................................................................................................................84


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Phú Thọ là một tỉnh trung du miền núi, cửa ngõ phía Tây của thủ đô Hà Nội,
và là nơi trung chuyển và giao lưu kinh tế giữa các tỉnh đồng bằng và miền núi phía
Bắc. Tài nguyên nước tỉnh Phú Thọ tương đối phong phú, phần lớn là do lượng
nước mặt từ bên ngoài chảy vào. Trong tỉnh Phú Thọ có 3 hệ thống sông lớn là:
sông Đà, sông Lô, sông Thao. Mặc dù có lượng nước tương đối phong phú nhưng
phân bố không đều theo không gian và thời gian. Cộng với việc chất lượng nước
sông trên một số sông đang có dấu hiệu giảm sút làm ảnh hưởng đến lượng nước
cấp cho các nhu cầu thiết yếu để phát triển kinh tế trong vùng.
Trong quá trình phát triển kinh tế xã hội, tỉnh là nơi tập chung nhiều các khu
công nghiệp, cụm công nghiệp, các công ty xí nghiệp, làng nghề, du lịch v..v. Để

thực hiện những bước đi này cần phải sử dụng nguồn nước với lượng khai thác là
lớn. Cộng với việc dân số ngày một tăng nhanh do đó nhu cầu nước sinh hoạt của
người dân lại là một vấn đề cần giải quyết. Mặc dù những năm gần đây được quan
tâm đầu tư nhiều công trình cấp nước để phục vụ sinh hoạt, phục vụ công nghiệp,
xây dựng nhiều công trình thủy lợi, hồ chứa phục vụ cho nông nghiệp và thủy điện.
Tuy nhiên Phú Thọ là tỉnh nằm trong khu vực Trung du miền núi Bắc Bộ có nhiều
đồi núi, địa hình, địa mạo rất phức tạp. Bề mặt địa hình bị phân cắt mạnh mẽ, độ
dốc địa hình vùng núi tương đối lớn, các suối ngắn, hẹp và có nơi chỉ tồn tại nước
theo mùa. Do đó, tình trạng lũ lụt trong mùa mưa, hạn hán trong mùa khô vẫn
thường xuyên xảy ra tại nhiều địa phương miền núi trong Tỉnh. Thêm vào đó ảnh
hưởng của biến đổi khí hậu đang có những tác động nhất định đến trữ lượng nước
của tỉnh. Hơn hết nguyên nhân chính gây ra tình trạng thiếu nước là do thiếu tính
đánh giá về nguồn nước. Việc sử dụng tài nguyên nước chưa cân đối, chưa đưa ra
các mục tiêu ưu tiên để đạt được những lợi ích cao, khai thác sao cho hợp lý.
Trước tình hình đó để tháo gỡ vấn đề trên tác giả đưa ra nghiên cứu “Nghiên
cứu ứng dụng mô hình MIKE BASIN đánh giá cân bằng nước cho tỉnh Phú Thọ
trong bối cảnh biến đổi khí hậu” để từ đó tìm ra phương án giải quyết cho các vấn
đề an sinh và phát triển kinh tế của Tỉnh.

1


2. Mục tiêu của luận văn
 Nghiên cứu công cụ mô hình MIKE BASIN trong bài toán cân bằng nước;
 Đánh giá trữ lượng tài nguyên nước hiện trạng và trong tương lai trong bối
cảnh biến đổi khí hậu.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Tài nguyên nước mặt tỉnh Phú Thọ
4. Phương pháp nghiên cứu
 Phương pháp thống kê, phân tích tài liệu:

Thu thập các thông tin, tài liệu gồm các tài liệu có liên quan đến kinh tế - xã
hội, thủy văn, lượng mưa hàng năm, tài nguyên môi trường của khu vực nghiên cứu
được sử dụng.
 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 mô hình:
MIKE BASIN để tính toán cân bằng nước tỉnh Phú Thọ hiện trạng và tương
lai với kịch bản biến đổi khí hậu;
Cropwat: Tính toán nhu cầu nước cho nông nghiệp;
MIKE NAM: Tính toán tương quan giữa lượng mưa – dòng chảy mặt theo
thời gian và không gian trong vùng;
MIKE 11 –Muskingum: Tính toán dòng chảy mặt theo thời gian.
5. Nội dung nghiên cứu
Xác định lượng nước trên mỗi tiểu lưu vực hiện trạng và tương lai
Xác định các tiêu chuẩn và chỉ tiêu dùng nước của các ngành hiện trạng và
tương lai;
Xác định nhu cầu sử dụng nước hiện trạng và dự báo nhu cầu ứng
Áp dụng mô hình MIKE BASIN đánh giá cân bằng nước từ đó đưa ra các giải
pháp cụ thể.

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU
CÂN BẰNG NƯỚC VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về cân bằng nước hệ thống
Theo Van te Chow người đầu tiên sử dụng thuật ngữ hệ thống nguồn nước để
mô tả các lĩnh vực kỹ thuật của thuỷ văn, thủy lực và tài nguyên nước. Hệ thống
nguồn nước cũng đồng thời được sử dụng để đề cập tới các dự án nước bao gồm các

hệ thống trữ nước mặt, hệ thống nước ngầm, hệ thống phân phối nước, hệ thống
kiểm soát lũ, và hệ thống tiêu nước
Theo quan điểm hệ thống, hệ thống nguồn nước được định nghĩa như sau: “Hệ
thống nguồn nước là một hệ thống phức tạp bao gồm tài nguyên nước, các công
trình khai thác nguồn nước, các yêu cầu về nước cùng với mối quan hệ tương tác
giữa chúng và chịu tác động của môi trường lên nó”.
Cân bằng nước hệ thống là một vấn đề rất xưa nhưng lại luôn mới, nó vừa là
phương pháp, vừa là đối tượng nghiên cứu. Cân bằng nước là mối quan hệ định
lượng giữa nước đến và đi của hệ thống nguồn nước. Lượng nước đi gồm bốc thoát
hơi nước, ngấm xuống tầng sâu, nước cấp cho các nhu cầu sử dụng nước trên lưu
vực và dòng chảy ra khỏi lưu vực. Lượng nước đến hệ thống được thể hiện dưới các
dạng nước mưa, dòng chảy và nước hồi quy sau khi sử dụng.
Cân bằng nước hệ thống là sự cân bằng tổng thể giữa tài nguyên nước của hệ
thống; định lượng nước đến, đi khỏi hệ thống, trong đó đã bao gồm các yêu cầu về
nước và khả năng điều tiết chúng. 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.
Việc nghiên cứu cân bằng nước có ý nghĩa rất lớn cả về lý thuyết và thực tiễn.
Từ góc độ lý thuyết, phương trình cân bằng nước cho phép ta cắt nghĩa nguyên
nhân, các hiện tượng, chế độ thủy văn của một khu vực xác định, đánh giá các số
hạng trong cán cân nước và mối quan hệ tương tác giữa chúng. Nghiên cứu cân

3


bằng nước cho phép định lượng đầy đủ và chính xác tài nguyên nước để tìm ra
phương thức sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên quý giá này.
Trên quan điểm đó bài toán cân bằng nước hệ thống đã tập trung giải quyết
các vấn đề: Phân các khu dùng nước khác nhau; Nhu cầu nước của của các đơn vị
sử dụng nguồn nước; từ đó tính toán cân bằng nước cho khu dùng nước.

1.2 Các nghiên cứu trước đây liên quan đến cân bằng nước
Ngoài nước
Mingan, S., M. Huang, L. Zhang và Y. Li, đã ứng dụng mô hình WAVES tính
toán cân bằng nước lưu vực sông Hoàng Hà từ đó làm cơ sở quản lý nông nghiệp
bền vững ở Trung Quốc.
A. Abu-Saleem, Y.Al-Zubi, O.Rimawi N.Alouran,[4] đã ứng dụng được mô
hình WetSpass để cân bằng nước lưu vực Hasa từ đó làm cơ sở cho việc quy hoạch
sử dụng hợp lý tài nguyên nước.
A. Ghandhari and S.M.R. Alavi Moghaddam [5] đã ứng dụng mô hình Weap
cân bằng nước cho năm lưu vực sông lớn ở phía Đông Bắc Iran từ đó làm cơ sở cho
việc quy hoạch quản lý tài nguyên nước một cách hợp lý.
Najjar, RG, [6]. Kết quả đạt được đã ứng dụng mô hình Weap cân bằng nước
cho sông Susquehanna và ứng phó với BĐKH.
Agung Budipriyantoa, Mohamad Khoiria, Wien Lestaria, Askur Rahman,
2015, [7] đã sử dụng được phương pháp Thornthwaite để tính toán được sự thoát
hơi trong cân bằng nước tại đảo nhỏ ở Indonesia.
Trong nước
Hệ thống mạng lưới sông ngòi nước ta rất lớn và bao trùm gần như toàn bộ
diện tích đất tự nhiên toàn quốc. Nhưng phần lớn lưu vực các con sông lớn lại nằm
ngoài lãnh thổ nước ta nên gặp nhiều khó khăn trong việc quản lý tổng hợp lưu vực
sông. Trong khi các hoạt động khai thác tài nguyên nước ngày một tăng cao thì
công tác quản lý tài nguyên nước vẫn chưa được đồng bộ dẫn đến thiếu hụt nước
cho một số nhu cầu thiết yếu.

4


Năm 1993 ban hành luật Bảo vệ Môi trương, năm 1998 ban hành luật Tài
nguyên Nước, ngày 16 tháng 5 năm 2000 Thủ tướng Chính phủ đã ra quyết định
thành lập Hội đồng Quốc gia về Tài nguyên Nước, do Phó Thủ Tướng làm chủ tịch.

Ở nước ta, hiện tượng thiếu nước trên lưu vực sông đã, đang là một thực tế.
Những nghiên cứu, báo cáo chỉ mới dùng lại ở mức độ áp dụng cho lưu vực nghiên
cứu mà chưa đánh giá được tổng quát cho các lưu vực khác. Từ đó dẫn đến việc
quản lý tổng hợp tài nguyên nước vẫn còn hạn chế, chưa có độ chính xác cao.
Tình hình nghiên cứu
- Hà Thị Hồng Vân [14] đã ứng dụng mô hình Weap tính toán phân bổ nước
mặt cho các lưu vực song tỉnh Hà Nam từ đó làm cơ sở cho việc quy hoạch hợp lý
tài nguyên nước;
- Ngô Chí Tuấn[15] đã ứng dụng mô hình MIKE BASIN để cân bằng nước hệ
thống lưu vực sông Thạch Hãn từ đó làm cơ sở cho việc quy hoạch sử dụng hợp lý
tài nguyên nước;
- Hoàng Thanh Sơn[16] đã tính toán cân bằng nước hệ thống lưu vực sông làm
cơ sở cho việc quy hoạch sử dụng hợp lý tài nguyên nước của lưu vực sông này;
- Nguyễn Phương Nhung [17] đã khôi phục được số liệu mưa từ mô hình Mike
Nam và tính toán được nhu cầu dùng nước cho tưới của các tiểu lưu lực bằng mô
hình Cropwat kết hợp với mô hình Mike Basin từ đó cân bằng nước hệ thống sông
Cầu trong luận văn thạc sĩ của mình;
- Trần Kim Châu [18] đã kết hợp được các phần mềm Swat, Cropwat và Weap
thành công cụ tính toán cân bằng nước hoàn chỉnh cho lưu vực Sesan, Tây Nguyên;
Đặng Đình Khá, Trần Ngọc Anh, Mai Thị Nga [19] đã ứng dụng mô hình
Weap đánh giá và phân tích cân bằng nước hiện tại (2012) và tương lai (2020).
Nhìn chung, các nghiên cứu trên đã bước đầu ứng dụng thành công các mô
hình trong việc tính toán cân bằng nước hệ thống. Đây sẽ là tiền đề cho tính khả thi
của luận văn “Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE BASIN đánh giá cân bằng
nước cho tỉnh Phú Thọ trong bối cảnh biến đổi khí hậu”.

5


1.3. Tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước

Như đã biết, nguyên nhân gây ra BĐKH mà cốt lõi là sự nóng lên toàn cầu
chính là do sự tăng lên không ngừng của lượng “khí nhà kính” nhân tạo, phát thải từ
nhiều nguồn khác nhau như công nghiệp, giao thông vận tải, phá rừng,… do sự tăng
dân số thế giới, tốc độ phát triển kinh tế ..vv
Sự biến đổi khí hậu toàn cầu đang diễn ra ngày càng nghiêm trọng, có ảnh
hưởng rất lớn đến tài nguyên nước. Biểu hiện rõ nhất là băng tan, nước biển dâng
cao, xuất hiện nhiều hiện tượng thời tiết cực đoan, bất thường không theo quy luật
như hạn hán kéo dài, sóng thần, động đất .. gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường
sống cũng như phát triển kinh tế xã hội.
1.3.1. Trên thế giới
Theo báo cáo đánh giá của IPCC, Biến đổi khí hậu toàn cầu sẽ tiếp tục diễn
biến phức tạp trong thế kỷ 21 do lượng phát thải các khí nhà kính đang tiếp tục
tăng:
Nồng độ CO2 tăng khoảng 60% vào năm 2050 và đạt 535– 983 ppm vào năm
100 (tăng 41-158% so với năm 2006);
Nồng độ CH4 đạt 1.46-3.39 ppm vào năm 2100 (giảm 18% hoặc tăng 91% so
với năm 2006);
Theo như cuốn sách “ Tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước
Việt Nam, 2011” của tác giả Hoàng Minh Tuyển và cộng sự, do ảnh hưởng của hiệu
ứng nhà kính, nhiệt độ Trái đất tiếp tục tăng. Nhiệt độ tăng làm băng ở hai cưc tan
đó là nguyên nhân cốt lõi của việc nước biển dâng. Rất nhiều thành phố trên thế
giới sẽ biến mất một phần diện tích đất do nước biển dâng, điển hình như các nước
Bangladesh, Ấn Độ, Trung Quốc. Các lớp băng ở Châu Á đang tan nhanh hơn trong
những năm gần đây, đặt biệt là các lớp băng Zerafshan, Abramove và các lớp băng
khác trên cao nguyên Tây Tạng; Băng tan sẽ làm gia tăng lượng bùn, lũ lụt, trượt lở
đá và ảnh hưởng bất lợi đến các nguồn tài nguyên nước trong 2- 3 thập kỷ tới cũng
như ảnh hưởng đến người dân có điều kiện sản xuất sinh hoạt phụ thuộc vào nguồn
nước từ băng tan;

6

1.3.2. Việt Nam
Cũng như các nước trong khu vực Đông Nam Á, biến đổi khí hậu đã, đang tác
động rất lớn tới lãnh thổ Việt Nam. Theo cuốn “Tác động của biến đổi khí hậu đến
tài nguyên nước Việt Nam, 2011”. Những tác động của biến đổi khí hậu như sau:
- Dòng chảy năm: Dòng chảy năm trên các sông ở Bắc Bộ, phần phía bắc của
Bắc Trung Bộ có xu thế tăng phổ biến dưới 2% vào thời kỳ 2040 – 2059; Trái lại,
dòng chảy năm của các sông ở phần phía Nam từ Hà Tĩnh trở vào lại có xu thế giảm
dưới 4,0 % vào thời kỳ 2040 -2059; Tác động của biến đổi khí hậu cũng sẽ làm cho
dòng chảy năm của sông Mê Công tăng lên 7,0 % vào thời kỳ 2010 -2050 so với
thời kỳ 1985- 2000.
- Dòng chảy mùa lũ: Dưới tác động của biến đổi khí hậu, dòng chảy mùa lũ
của phần lớn các sông, đều có xu thế tăng, chỉ riêng sông Đồng Nai giảm so với
thời kỳ 1980-1999. Dòng chảy mùa lũ tăng khoảng 2,0 -4,0% ở hai hệ thống sông
Thu Bồn, sông Ba, riêng sông Thao tăng khá nhiều, vào khoảng 8,7% tại Yên Bái,
- Lưu lượng đỉnh lũ: Nhìn chung, biến đổi khí hậu sẽ làm gia tăng mức độ
nguy hiểm của lũ lụt. Giá trị Qmax với tần suất 1% trên các sông đều tăng khoảng
1,0 -5,0 so với thời kỳ 1980-1999, tăng mạnh ở một số nhanh sông thuộc hệ thống
sông Hồng, nhưng có xu thế giảm ở sông La Ngà.
- Dòng chảy mùa cạn: Dưới tác động của biến đổi khí hậu, dòng chảy năm và
dòng chảy mùa lũ, dòng chảy mùa cạn trong tương lai của tất cả các sông trên lãnh
thổ Việt Nam đều giảm, nhưng mức giảm sẽ khác nhau khá lớn ở các sông. Vào
thời kỳ 2040-2059, mức độ giảm của dòng chảy trung bình vào mùa cạn dao động
trong phảm vi từ dưới 1,5% ở các sông: Đà, Gâm, Hiếu, đến trên 10% tại sông Ba.
- Lũ lụt, ngập lụt: Dưới tác động của BĐKH, lượng dòng chảy lũ cùng với lưu
lượng đỉnh lũ có xu thế gia tăng, dẫn đến khả năng xảy ra các trận lũ lớn hơn trong
tương lai và do đó gia tăng mức độ nguy hiểm của lũ lụt. Ở đồng bằng sông Cửu
Long các hiện tượng thời tiết như mưa, bão kết hợp với nước biển dâng làm cho các
thành phố thị xã bị ngập lụt như Châu Đốc, Long Xuyên...

7


- Xâm nhập mặn: Theo dự báo, nước biển dâng khoảng 30 cm vào năm 2050
kết hợp với dòng chảy kiệt phía thượng lưu ngày càng giảm sẽ làm cho nước biển
xâm nhập sâu vào trong đất liền.
1.4. Giới thiệu một số mô hình
1.4.1. Các mô hình tính lượng nước đến
Để tính toán lượng nước đến cho lưu vực cụ thể có rất nhiều mô hình tính toán
đã được xây dựng và phát triển như HEC-HMS, MIKE NAM, TANK.
* HEC- HMS
Mô hình HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center -Hydrologic Modeling
System) được phát triển từ mô hình HEC-1, do tập thể các kỹ sư thuỷ văn thuộc
quân đội Hoa Kỳ nghiên cứu. Mô hình được sử dụng để mô phỏng quá trình mưa dòng chảy khi có mưa xảy ra trên một lưu vực.
Ưu điểm
Phần mềm miễn phí sử dụng và gia hạn khóa phần mềm trong vòng nhiều
năm.
Phần mềm được chạy trong môi trường Windows- hệ điều hành rất quen thuộc
với mọi người.
Nhược điểm
Việc thiết lập mô hình tính toán với giao diện tương đối phức tạp, gây lúng
túng trong thiết lập và truy xuất kết quả mô hình.
* TANK
Mô hình TANK ra đời năm 1956 tại trung tâm quốc gia phòng chống lũ lụt
Nhật, tác giả là M. Sugawar. Từ đó dến nay mô hình được hoàn thiện dần và ứng
dụng rộng rãi nhiều nơi trên thế giới.
Cấu trúc của mô hình: lưu vực được diễn tả như một chuỗi các bể chứa sắp
xếp theo 2 phương thẳng đứng và nằm ngang. Giả thiết cơ bản của mô hình là dòng
chảy cũng như dòng thấm và các hàm số của lượng nước trữ trong các tầng đất. Mô

hình có hai dạng cấu trúc đơn và kép.

8


Ưu điểm
Là một mô hình thân thiện với người dùng được sử dụng rộng rãi trên toàn
thế giới.;
Mô hình có 2 dạng TANK đơn và TANK kép có thể lựa chọn để phù hợp với
nhiều bài toàn khác nhau.
Nhược điểm
Mô hình khó thể hiện sự trễ của dòng chảy so với mưa nên mô hình thích ứng
với các lưu vực nhỏ.
Do mô hình được cấu tạo từ các bể tuyến tính, các thông số tại một số trường
hợp là kém nhậy.
*MIKE NAM
Mô hình NAM được viết tắt từ chữ Đan Mạch "Nedbor - Afstromming Model", nghĩa là mô hình mưa - dòng chảy. NAM thuộc loại mô hình thuỷ văn tất
định - nhận thức - gộp, được xây dựng vào năm 1982 tại Khoa Thuỷ văn, Viện Kỹ
thuật Thuỷ động lực, trường Đại học Kỹ thuật Đan Mạch.
Ưu điểm
Mô hình chạy trên môi trường Windown – hệ điều hành rất quen thuộc với
người dùng;
Mô hình có khả năng liên kết với nhiều modun khác trong bộ mô hình MIKE
và GIS;
Thuận tiện giải quyết cho các bài toàn vừa và nhỏ;
Sử dụng chế độ tự động chạy của mô hình để tìm ra bộ thông số phù hợp.
Nhược điểm
Là một phần mềm thương mại nên giá thành rất đắt để có được bản quyền của
người sử dụng.
Tổng hợp các ưu nhược điểm của các mô hình nêu trên, luận văn đã sử dụng

mô hình MIKE NAM để tính toán dòng chảy đến cho các tiểu lưu vực trong nghiên
cứu.

9


1.4.2. Mô hình tính nhu cầu nước
* CROPWAT
Chương trình CROPWAT ra đời vào năm 1992, được Tổ chức Lương thực thế
giới (FAO) xây dựng để tính toán nhu cầu nước cho cây trồng và lập kế hoạch tưới
dựa trên dữ liệu được cung cấp bởi người sử dụng
Ưu điểm
Phần mềm miễn phí sử dụng, đã và đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới.
Giao diện phần mềm rất thuân tiện cho người sử dụng.
Cho phép người dùng sử dụng dễ dàng các dữ liệu về đất, cây trồng, khí hậu
để tính toán ra nhu cầu tưới cho cây trồng.
Từ ưu điểm trên luận văn đã sử dụng mô hình Crop Wat để tính toán nhu cầu
nước tưới cho nông nghiệp.
1.4.3. Các mô hình tính cân bằng nước
Để tính toán cân bằng nước cho một vùng cụ thể thì rất nhiều mô hình tính
toán cân bằng nước được xây dựng và phát triển như WEAP, BASINS, MIKE
BASIN.
* Mô hình WEAP
WEAP (The Water Evaluation and Planning System) – Hệ thống đánh giá và
quản lý nguồn nước. Là sản phẩm của Viện Nghiên Cứu Môi trường Stockholm có
trụ sở ở Boston (Mỹ) (SEL – Boston: Stockholm Environment Institute – Boston)
nghiên cứu và phát triển.
Phần mềm miễn phí sử dụng và gia hạn khóa phần mềm trong vòng nhiều
năm.
Một công cụ rất mạnh trong việc lựa chọn hướng phát triển và đề xuất các

chiến lược quản lý tài nguyên nước trong lưu vực. Sử dụng WEAP có thể quản lý
tài nguyên nước ở đô thị cũng như nông thôn, cho một lưu vực nhỏ hay cả một hệ
thống sông.
Theo dõi ô nhiễm và nhu cầu sinh thái của từng vùng. Ngoài ra, phần mềm
này còn có thể phân tích và tính toán kinh tế các dự án quản lý tài nguyên nước.

10


* Mô hình BASINS
Mô hình BASINS được xây dựng bởi Cơ Quan Bảo vệ Môi trường (USEPA).
Mô hình được xây dựng để đưa ra một công cụ đánh giá tốt hơn và tổng hợp hơn
các nguồn phát thải tập trung và không tập trung trong công tác quản lý chất lượng
nước trên lưu vực. Đây là một mô hình hệ thống phân tích môi trường đa mục tiêu,
có khả năng ứng dụng cho một quốc gia, một vùng để thực hiện các nghiên cứu về
nước bao gồm cả lượng và chất trên lưu vực. Mô hình được xây dựng để đáp ứng 3
mục tiêu: Thuận tiện trong công tác kiểm soát thông tin môi trường; Hỗ trợ công tác
phân tích hệ thống môi trường; Cung cấp hệ thống các phương án quản lý lưu vực;
Mô hình BASINS là một công cụ hữu ích trong công tác nghiên cứu về chất và
lượng nước. Với nhiều môđun thành phần trong hệ thống, thời gian tính toán được
rút ngắn hơn, nhiều vấn đề được giải quyết hơn và các thông tin được quản lý hiệu
quả hơn trong mô hình. Với việc sử dụng GIS, mô hình BASINS thuận tiện hơn
trong việc biểu thị và tổ hợp các thông tin (sử dụng đất, lưu lượng các nguồn thải,
lượng nước hồi quy, ... ) tại bất kỳ một vị trí nào. Các thành phần của mô hình cho
phép người sử dụng có thể xác định ảnh hưởng của lượng phát thải từ các điểm tập
trung và không tập trung.
* MIKE BASIN
Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) xây dựng các phần mềm để đánh giá và phân
tích các vấn đề về chất lượng và số lượng nước, đây là các phần mềm hữu ích trong
công tác lập kế hoạch phát triển và quản lý nguồn nước theo quan điểm bền vững.

Phần mềm MIKE BASIN với giao diện MIKE HYDRO là một hệ thống mô hình
vật lý và khái niệm cho lưu vực, sông và đồng bằng ngập nước.
Trong MIKE- HYDRO có thể liên kết nhiều modules khác nhau để phục vụ
giải quyết bài toán với nhiều yêu cầu và số liệu đầu vào kèm theo.Hơn nữa có thể sử
dụng các layer dạng Vector hay Raster của GIS để tổ hợp cơ sở dữ liệu, xác định
lưu vực, và trình diễn kết quả một cách thuận lợi cho người sử dụng.
MIKE BASIN đòi hỏi với một số lượng số liệu không nhiều, với các môđun
tính toán đơn giản để đưa ra các kịch bản tính toán các biến đổi của các đặc trưng

11