Đánh giá khả năng đảm bảo nguồn nước cho các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội lưu vực sông Mã năm 2020 (phần lãnh thổ Việt Nam)

06/04/2014 04:51
1. Giới thiệu về vùng nghiên cứu.

Sông Mã là con sông lớn nhất của miền Trung, bắt nguồn từ dãy núi Bon Kho, huyện Tuần Giáo tỉnh Lai Châu, chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam qua 5 tỉnh trong nước ta: Lai Châu, Sơn La, Hoà Bình, Nghệ An, Thanh Hoá và tỉnh Sầm Nưa của nước Cộng hoà Dân chủ Nhân dân Lào rồi đổ ra biển Đông tại Cửa Hới (Lạch Trào) và hai cửa phụ là Lạch Trường và Lạch Sung. Toàn bộ lưu vực nằm trong phạm vi từ 19037’30” đến 21037’30”N và từ 103008’00” đến 106005’10”E. Lưu vực sông Mã giáp với: lưu vực sông Đà và sông Bôi ở phía Bắc; lưu vực sông Mê Kông ở phía Tây; lưu vực sông Hiếu và sông Yên ở phía Nam còn phía Đông là Biển Đông.

Chế độ khí hậu trên lưu vực sông Mã rất khác biệt giữa phần lưu vực phía Bắc có diện tích thuộc phía Tây của dãy Hoàng Liên Sơn và phần phía Nam, thuộc khu vực Thanh Hóa. Sự khác nhau về chế độ khí hậu có phần lớn ảnh hưởng của địa hình lưu vực. Phần ở phía Bắc lưu vực có chế độ nhiệt đới gió mùa vùng núi, có mùa đông tương đối ấm và suốt mùa duy trì một tình trạng khô hanh. Phần phía Nam lưu vực có mùa đông lạnh và suốt mùa duy trì một tình trạng ẩm ướt.

Chế độ khí hậu và dạng địa hình trên lưu vực sông Mã có ảnh hưởng rất lớn đến mạng lưới sông suối trên lưu. Những khu vực có địa hình cao thuận lợi đón gió có lượng mưa lớn thì có mật độ lưới sông dày đặc như sông Chu có mật độ lưới sông đạt 0,98km/km2. Vùng thượng nguồn sông Mã (Sơn La Lai Châu) tương đối khô nên mạng lưới sông suối kém phát triển.

2. Xác định như cầu dùng nước đến năm 2020 theo định hướng phát triển kinh tế - xã hội các tỉnh trên lưu vực.

2.1 Căn cứ tính nhu cầu nước

Căn cứu xác định nhu cầu nước trên lưu vực là các chỉ tiêu cơ bản theo định hướng phát triển kinh tế-xã hội các tỉnh trên lưu vực và các tiêu chuẩn sử dụng nước cho các ngành như:
Định mức dùng nước sinh hoạt đô thị và nông thôn theo Tiêu chuẩn dùng nước (TCXDVN 33:2006);
Nhu cầu nước cho nông nghiệp bao gồm nhu cầu tưới cho trồng trọt và cho chăn nuôi; nhu cầu nước cho trồng trọt được để xác định bằng chương trình tính cropwat theo tiêu chuẩn của Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn;
Nhu cầu nước cho chăn nuôi bao gồm nhu cầu cho ăn uống, vệ sinh chuồng trại… được tính theo định mức TCVN 4454:1987
Nhu cầu nước thủy sản: 50.000 m3/năm/ha (thay nước 3 lần/vụ) cho nuôi tôm và 12000 m3/ha/năm cho các loại thủy sản khác
Nhu cầu nước cho các hoạt động du lịch như: các nhà nghỉ, khách sạn, các hoạt động vui chơi... có thể được tính theo chỉ tiêu bằng 15% lượng nước sinh hoạt của dân sinh đô thị.
Nhu cầu nước duy trì dòng chảy môi trường được lấy bằng 5m3/s.
 

Hình 1: Hình thể tự nhiên lưu vực sông Mã
 
2.2 Phân chia tiểu vùng tính cân bằng nước
 
Để đánh giá cân bằng sử dụng nước trên cơ sở số liệu quy hoạch sử dụng đất, bài báo chia lưu vực sông Mã thành 10 khu vực tính toán nhằm phân tích, đánh giá khai thác một cách tối ưu nguồn nước. Các cơ sở để phân vùng:
 
Dựa theo hình thái chia cắt của các sông vùng hạ du.
Dựa theo các nút cân bằng trên dòng chính và dòng nhánh.
Có xét đến ranh giới hành chính nhưng không bị rằng buộc quá
 
Bảng 1. Phân vùng sử dụng nước sông Mã

Vùng Ký hiệu Đất đai thuộc các huyện Nguồn nước dùng
Thượng nguồn sông Mã I Tuần Giáo (Lai Châu), Sông Mã (Sơn La), Sốp Cộp, Thuận Châu, Mai Sơn (Sơn La) Sông Mã
Mường Lát - Mộc Châu II Mộc Châu ( Sơn La), Mường Lát (Thanh Hoá) Sông Mã
Quan Hoá, Mai Châu III Quan Hoá (Thanh Hóa), Mai Châu (Hoà Bình) Sông Mã
Vùng sông Bưởi IV Tân Lạc, Lạc Sơn, Lạc Thuỷ (Hoà Bình), Vĩnh Lộc, Thạch Thành (Thanh Hoá) Sông Bưởi
Bắc sông Mã V TX Bỉm Sơn, Hà Trung, Nga Sơn, Hậu lộc, Hoằng Hoá (Thanh Hoá) Sông Lèn – sông Mã
Lưu vực sông Cầu Chày VI Yên Định, Thiệu Hoá, Thọ Xuân, một phần Ngọc Lạc (Thanh Hoá) Sông Chu – sông Càn
Bá Thước - Cẩm Thuỷ VII Bá Thước - Cẩm Thuỷ Sông Mã
Lưu vực sông Âm VIII Lang Chánh, Ngọc Lạc Sông Chu
Vùng thượng sông Chu IX Thường Xuân, Như Xuân Sông Chu
Vùng Nam sông Chu X Thọ Xuân, Triệu Sơn, Thiệu Hoá, Đông Sơn, TP Thanh Hoá, Quảng Xương, TX Sầm Sơn, Nông Cống, Bắc Tĩnh Gia. Sông Mã, Sông Lèn
 
Kết quả tính nhu cầu nước trên các tiểu vùng
Bảng 2: Nhu cầu nước cho nông nghiệp năm 2020
Đơn vị:106m3
Vùng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

I

19,53 18,04 27,28 26,51 28,02 18,51 5,98 8,06 12,05 15,11 12,45 19,56

II

1,49 1,18 1,84 2,61 3,35 4,56 1,85 1,25 0,76 0,76 0,74 1,76
III 2,32 2,83 3,24 5,11 3,97 7,76 5,72 3,25 3,12 1,04 2,71 5,54
IV 11,87 10,11 11,97 20,24 14,76 6,23 18,63 10,62 8,98 5,94 0,61 0,59
V 35,01 33,95 35,98 31,67 45,66 40,47 34,03 36,98 1,43 2,75 68,44 39,96
VI 30,00 31,91 35,69 12,24 39,65 49,41 53,80 9,10 4,01 0,50 49,95 31,60
VII 9,76 10,36 16,84 15,54 7,17 14,17 8,43 8,68 5,96 8,42 6,02 22,81
VIII 3,25 3,81 5,17 5,98 9,10 7,29 4,64 3,72 0,27 0,09 0,55 5,38
IX 3,27 4,27 8,72 9,44 6,85 5,21 12,37 7,40 2,99 0,77 0,46 7,46
X 52,20 50,11 75,72 68,09 82,45 35,76 76,79 34,50 3,12 1,12 5,71 113,73

Bảng 3: Nhu cầu nước cho công nghiệp năm 2020
Đơn vị:106m3

Vùng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
I 0,465 0,420 0,465 0,450 0,465 0,450 0,465 0,465 0,450 0,465 0,450 0,465
II 0,047 0,042 0,047 0,045 0,047 0,045 0,047 0,047 0,045 0,047 0,045 0,047
III 0,039 0,039 0,039 0,039 0,039 0,039 0,039 0,039 0,039 0,039 0,039 0,039
IV 0,328 0,328 0,328 0,328 0,328 0,328 0,328 0,328 0,328 0,328 0,328 0,328
V 2,717 2,717 2,717 2,717 2,717 2,717 2,717 2,717 2,717 2,717 2,717 2,717
VI 0,103 0,103 0,103 0,103 0,103 0,103 0,103 0,103 0,103 0,103 0,103 0,103
VII 0,088 0,079 0,088 0,085 0,088 0,085 0,088 0,088 0,085 0,088 0,085 0,088
VIII 0,048 0,044 0,048 0,047 0,048 0,047 0,048 0,048 0,047 0,048 0,047 0,048
IX 1,339 1,210 1,339 1,296 1,339 1,296 1,339 1,339 1,296 1,339 1,296 1,339
X 32,613 29,456 32,613 31,560 32,613 31,560 32,613 32,613 31,560 32,613 31,560 32,613

Bảng 4: Nhu cầu nước thuỷ sản năm 2020
Đơn vị:106m3

Vùng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
I 0,613 0,613 1,226 0,613 0,613 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 1,839 0,613
II 0,032 0,032 0,064 0,032 0,032 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,096 0,032
III 0,322 0,322 0,322 0,18 0,18 0,18 0,000 0,000 0,301 0,148 0,148 0,000
IV 0,000 0,000 0,565 0,549 0,549 0,549 0,000 0,000 0,506 0,45 0,45 0,000
V 0,000 0,000 13,1 4,738 4,738 4,738 0,000 0,000 10,7 3,928 3,928 0,000
VI 1,143 1,143 1,143 1,582 1,582 1,582 0,000 0,000 3,969 1,158 1,158 0,000
VII 0,000 0,000 0,260 0,389 0,389 0,256 0,000 0,000 0,256 0,389 0,389 0,260
IX 0,000 00000 0,123 0,183 0,183 0,122 0,000 0,000 0,122 0,183 0,183 0,122
X 0,000 0,000 7,602 11,403 11,403 7,602 0,000 0,000 7,602 11,403 11,403 7,602

Có thể thấy rằng, định hướng phát triển trên lưu vực đã huy động các tài nguyên đất và nước rất lớn, tổng lượng nước sử dụng đến năm 2020 được trình bày ở bảng 5.
 
Bảng 5: Tổng nhu cầu dùng nước giai đoạn 2020.
Đơn vị:106m3

Vùng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
I 32,6 30,1 44,6 42,5 44,8 30,2 12,4 15,4 21,0 25,4 24,2 32,7
II 2,76 2,26 3,31 4,34 5,413 7,08 3,23 2,36 1,64 1,67 1,75 3,08
III 3,20 3,68 4,12 5,83 4,70 8,48 6,28 3,81 3,96 1,74 3,39 6,10
IV 0,34 0,33 0,39 0,40 0,58 0,88 0,47 0,39 1,24 0,48 1,18 2,17
V 12,4 10,1 11,1 17,0 14,2 6,27 12,9 10,1 8,28 6,90 1,69 1,48
VI 22,1 20,6 27,7 20,9 29,5 27,8 19,6 21,3 9,04 6,30 43,1 24,9
VII 11,2 11,6 18,3 16,9 8,61 15,6 9,84 10,1 7,34 9,86 7,41 24,2
VIII 3,79 4,29 5,70 6,50 9,63 7,81 5,17 4,25 0,79 0,63 1,06 5,91
IX 5,29 6,10 10,8 11,4 8,89 7,18 14,4 9,42 4,96 2,81 2,44 9,49
X 92,0 87,4 117 109 124 76,0 117 74,8 43,4 42,6 46,3 147

3. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình SWAT cho lưu vực sông mã.
3.1 Mô hình SWAT

Mô hình “Công cụ đánh giá đất và nước” SWAT (Soil and Water Assement Tools) là một mô hình vật lý được xây dựng từ những năm 90 do tiến sỹ Dr. Jeff Arnold thuộc trung tâm nghiên cứu đất nông nghiệp USDA - Agricultural Research Service (ARS) xây dựng nên.

Mô hình SWAT được xây dựng để mô phỏng ảnh hưởng của việc quản lý sử dụng đất đến nguồn nước, bùn cát và hàm lượng chất hữu cơ trong hệ thống lưu vực sông với các loại đất, với các điều kiện sử dụng đất khác nhau và điều kiện quản lý tương ứng với một khoảng thời gian dài. Trong quá trình tính toán dòng chảy, mô hình đã sử dụng phương pháp tính bốc hơi (theo Penman-Monteith, Priestley-Taylor, Hardgreve hoặc đọc từ file), diễn toán dòng chảy (Muskingum), các phương pháp diễn toán chất lượng nước.

Cấu trúc mô hình gồm 2 quá trình: Diễn toán dòng chảy trên lưu vực và diễn toán dòng chảy trong sông.

Số liệu của mô hình bao gồm: Số liệu vào mô hình bao gồm số liệu không gian là các bản đồ và số liệu thuộc tính.

3.2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

Số liệu đầu vào:
Do hệ thống trạm khí tượng thuỷ văn đo đạc không đồng bộ, và không khống chế được các lưu vực sông nhánh. Trên sông chính có một số trạm có thể lấy làm điểm kiểm tra, và một số trạm trên sông nhánh với số liệu hạn chế dùng làm trạm hiệu chỉnh thông số mô hình cho các tiểu lưu vực. Trong bài báo này chúng tôi sử dụng số liệu mưa và dòng chảy của 2 năm 1999 và 2005 để hiệu chỉnh và xác định bộ thông số mô hình SWAT lưu vực sông Mã.

Hệ thống bộ bản đồ là số liệu đầu vào quan trọng của mô hình đã được chuyển từ mapinfo sang dạng grid với cơ sở dữ liệu phù hợp với ArcSwat 2005.

Phân chia các lưu vực bộ phận
Do đặc điểm của lưu vực sông Mã trải dài trên 2 lãnh thổ quốc gia Việt Nam và Lào, nên chúng tôi tách lưu vực thành 2 phần, thượng lưu chủ yếu thuộc tỉnh Sơn La, phần hạ lưu chủ yếu thuộc tỉnh Thanh Hóa, không xét bộ phận chảy qua nước bạn Lào.
Phần thượng lưu sông Mã được chia thành 8 lưu vực bộ phận được đánh số thứ tự từ 1 – 8 như trên hình 2. Phần hạ du sông Mã được chia thành 19 lưu vực bộ phận được đánh số từ 1 -19 trên hình 3.
Các file số liệu KTTV làm đầu vào cho mô hình bao gồm các file: nhiệt độ (nhiệt độ tối cao và nhiệt độ tối thấp), bức xạ, độ ẩm, tốc độ gió, mưa và các file khai báo kinh độ, vĩ độ, cao trình trạm đo của từng yếu tố khí tượng được thiết lập trên file *.dbf theo format của ArcSWAT.
Khi các số liệu KT-TV và dữ liệu bản đồ thảm phủ thực vật và bản đồ đất được overlay để khởi tạo các thông số cần thiết để chạy mô hình.
 
Hình 2. Phân chia lưu vực phần thượng lưu


Hình 3. Phân chia lưu vực phần hạ du

Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình
Chuỗi số liệu quan trắc KTTV trên lưu vực sông Mã thu thập được đồng bộ trong 2 năm 1999, 2005. Năm 1999 lấy để hiệu chỉnh thông số của mô hình và 2005 để kiểm định mô hình. Các trạm thuỷ văn trên sông chính có số liệu đầy đủ và dài được lấy làm các điểm kiểm tra đánh giá hiệu quả của mô hình, đó là các trạm Cửa Đạt, Xã Là. Với các lưu vực bộ phận không có tài liệu đo đạc sẽ được xác định thông qua các lưu vực có tài liệu để hiệu chỉnh.
Các thông số mô hình được xác định theo phương pháp thử sai. Hiệu chỉnh thông số cho các lưu vực bộ phận trước, sau đó áp dụng bộ thông số thu được cho các lưu vực không có trạm đo có những đặc điểm khá tương đồng. Tiếp đến, tiến hành hiệu chỉnh cho các trạm trên sông chính từ thượng lưu về hạ lưu. Hiệu chỉnh các thông số của mô hình đối với các lưu vực con sao cho kết quả tính toán lưu lượng phù hợp với lưu lượng thực đo. Để đánh giá mức độ phù hợp của mô hình sử dụng hệ số Nash.
Kết quả hiệu chỉnh phần thượng lưu NAST = 74%, tương quan giữa thực đo và tính toán đạt 0.84. Đối với phần hạ lưu, NASH = 79%, hệ số tương quan đạt 0.83.
 

Hình 4: Đường quá trình dòng chảy thực đo và tính toán phần thượng lưu


Hình 5: Đường quá trình dòng chảy thực đo và tính toán phần hạ lưu

Kiểm định mô hình: Hệ số hiệu dụng NASH đều lớn hơn 0,7 đảm bảo kết quả mô hình ở mức khá, có thể được sử dụng để xây dựng các kịch bản sử dụng tài nguyên nước lưu vực sông Mã ứng với các kịch bản sử dụng tài nguyên đất hợp lý. Có thể xem kết quả tính toán trong giai đoạn hiệu chỉnh mô hình là kịch bản nền của nguồn nước tự nhiên không chịu tác động của các nhân tố điều tiết cũng như các tác động khác, được dùng để đối chiếu so sánh với các kịch bản sử dụng tài nguyên nước.
 
Bảng 6: Bộ thông số mô hình Swat cho lưu vực sông Mã

TT Thông số chính Phần thượng lưu Phần hạ du TT Thông số chính Phần thượng lưu Phần hạ du
1 SURLAG 1.14 4 7 SOL_AWC 0.5 65
2 MSK_CO1 9.88 0.14 8 CH_K1 0.5 0.07
3 MSK_CO2 4.467 0.14 9 CH_N1 0.14 0.5
4 MSK_X 0.2 0.11 10 ALPHA_BF 0.02 0.014
5 CNCOEF 0.5 0.1 11 OV_N 0.1 0.01
6 SOL_K 250 0.56 12 GW_RAVAP 0.02 0.14
 
Có thể thấy rằng mô hình SWAT thích hợp với điều kiện tự nhiên lưu vực sông Mã.

4. Đánh giá khả năng đảm bảo nguồn nước trên lưu vực sông Mã năm 2020

Trên cơ sở quy hoạch sử dụng đất, sử dụng nước đến năm 2020 của lưu vực sông Mã, bài báo sử dụng bộ thông số mô hình SWAT đã được xây dựng và kiểm định phù hợp nhằm xác định lượng dòng chảy sinh ra trên lưu vực từ đó đánh giá mức độ phù hợp của khai thác tài nguyên đất và nước trên lưu vực.

Kết quả so sánh lượng nước đến và nhu cầu nước cần cho các  hoạt động kinh tế- xã hội năm 2020 trên lưu vực được trình bày ở bảng 7.
 
Bảng 7: Cân bằng nước cho lưu vực sông Mã năm 2020
Đơn vị: triệu m3

Tháng Wđến Wyêu cầu Wmôi trường Wthừa Wthiếu
I 471 276 148 251 -106
II 359 247 134 154 -122
III 271 305 148 30.7 -200
IV 344 263 143 58.3 -101
V 806 336 148 395 0
VI 2061 536 143 1945 0
VII 3563 724 148 3611 0
VIII 5517 1116 148 6151 0
IX 4408 547 143 4598 0
X 2712 342 148 2711 0
XI 1859 376 143 1665 0
XII 802 369 148 467 -67.0
TỔNG 23174 5436 1740 22037 -596
 
Qua tính toán cân bằng nước, lượng nước yêu cầu (chủ yếu là cấp nước cho nông nghiệp) nhỏ hơn so với lượng nước đến. Tuy nhiên, sự phân bố nguồn nước là không đều theo thời gian, những tháng mùa kiệt nhu cầu sử dụng nước lớn nhưng lượng nước đến lại ít, ngược lại những tháng mùa lũ lượng nước đến rất dồi dào, nhu cầu sử dụng nước ít. Vào các tháng V-XI trong năm, nguồn nước trên lưu vực được đảm bảo cho cho các hoạt động kinh tế - xã hội. Vào các tháng XI đến tháng IV năm sau, tổng lượng nước thiếu lên tới  596 triệu m3.
Bảng 8: Cân bằng nước theo quy hoạch phát triển KT - XH đến năm 2020 từng vùng.
Đơn vị:106m3

Vùng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Tổng
Vùng I                          
W thừa 161.21 115.92 15.33 34.65 140.38 728.34 1,597.2 1,960.5 1,501.1 849.93 518.61 330.73 7,954.12
W thiếu                          
Vùng II                          
W thừa 11.14 5.05 2.35 2.11 1.88 29.05 56.52 68.50 49.63 40.68 39.23 16.71 322.88
W thiếu                          
Vùng III                          
W thừa 13.35 5.43 0.73   2.43 59.58 107.12 194.22 99.86 64.68 48.72 18.24 614.38
W thiếu       -0.53          
Liên kết website khác