Luận văn Tính toán cân bằng nước hệ thống lưu vực sông cầu bằng mô hình Mike Basin

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------ Nguyễn Phương Nhung TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC HỆ THỐNG LƯU VỰC SÔNG CẦU BẰNG MÔ HÌNH MIKE BASIN Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 60 44 90 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN THANH SƠN Hà Nội – 2011 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH...................................................................................................4 DANH MỤC BẢNG………………………………………………………………..5 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT……………………………………………………7 MỞ ĐẦU....................................................................................................................8 Chương 1. ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ XÃ HỘI LƯU VỰC SÔNG CẦU....................................................................................................10 1.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên............................................................................10 1.1.1. Vị trí địa lý...........................................................................................10 1.1.2. Địa hình...............................................................................................10 1.1.3. Địa chất................................................................................................12 1.1.4. Thổ nhưỡng..........................................................................................13 1.1.5. Thảm phủ thực vật................................................................................13 1.1.6. Đặc điểm khí hậu.................................................................................14 1.1.7. Đặc điểm thủy văn................................................................................17 1.2. Đặc điểm kinh tế - xã hội...........................................................................22 1.2.1. Dân số..................................................................................................22 1.2.2. Hiện trạng kinh tế - xã hội...................................................................23 Chương 2. TỔNG QUAN CÂN BẰNG NƯỚC HỆ THỐNG.............................30 2.1. Khái niệm về hệ thống nguồn nước và cân bằng nước hệ thống............30 2.1.1. Hệ thống nguồn nước...........................................................................30 2.1.1. Khái niệm cân bằng nước hệ thống.....................................................31 2.2. Giới thiệu một số mô hình tính toán cân bằng nước...............................31 1 2.2.1. Hệ thống mô hình GIBSI......................................................................31 2.2.2. Chương trình Sử dụng nước (Water Ultilization Project)...................32 2.2.3. Mô hình BASINS..................................................................................33 2.2.4. Mô hình hệ thống đánh giá và phát triển nguồn nước WEAP............35 2.2.5. Bộ mô hình MIKE (DHI).....................................................................36 2.3. Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE BASIN.............................................36 2.3.1. Giới thiệu chung..................................................................................36 2.3.2. Giới thiệu về MIKE BASIN..................................................................37 2.3.3. Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE BASIN..........................................38 2.3.4. Mô đun mưa-dòng chảy NAM..............................................................42 Chương 3. ÁP DỤNG MÔ HÌNH MIKE BASIN CÂN BẰNG NƯỚC HỆ THỐNG LƯU VỰC SÔNG CẦU..........................................................................50 3.1. Phân vùng tính cân bằng nước..................................................................50 3.2. Tính toán dòng chảy đến tại các tiểu khu.................................................50 3.2.1. Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình....................................................53 3.2.2. Ứng dụng mô hình khôi phục số liệu...................................................53 3.3. Tính toán nhu cầu dùng nước tại các tiểu khu........................................56 3.3.1. Nhu cầu dùng nước cho nông nghiệp..................................................56 3.3.2. Nhu cầu dùng nước cho sinh hoạt.......................................................57 3.3.3. Nhu cầu dùng nước cho chăn nuôi......................................................58 3.3.4. Nhu cầu dùng nước cho công nghiệp..................................................69 3.3.5. Nhu cầu dùng nước cho giao thông thủy và bảo vệ môi trường..........60 3.3.6. Nhu cầu dùng nước cho thương mại, dịch vụ và du lịch.....................61 2 3.3.7. Nhu cầu dùng nước cho các hoạt động đô thị.....................................62 3.3.8. Nhu cầu dùng nước cho thủy sản.........................................................62 3.4. Cân bằng nước hệ thống lưu vực sông Cầu.............................................65 3.4.1. Sơ đồ tính toán cân bằng nước............................................................66 3.4.2. Tính toán hiện trạng cân bằng nước hệ thống lưu vực sông Cầu......66 3.4.3. Kết quả tính cân bằng nước hiện trạng 2007......................................70 3.4.4. Tính toán cân bằng nước hệ thống lưu vực sông Cầu theo quy hoạch năm 2015..................................................................................................................77 3.4.5. Kết quả tính cân bằng nước cho phương án quy hoạch năm 2015.....80 3.4.6. Những vấn đề tồn tại, định hướng và giải pháp..................................83 KẾT LUẬN .............................................................................................................86 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................98 PHỤ LỤC............................................................................................................... .90 3 DANH MỤC HÌNH Hình 1. Sơ đồ lưu vực sông Cầu.............................................................................11 Hình 2. Bản đồ lưới trạm khí tượng thủy văn lưu vực sông Cầu........................24 Hình 3. Sơ đồ minh hoạ cấu trúc mô hình MIKE BASIN...................................40 Hình 4: Cấu trúc của mô hình NAM.....................................................................45 Hình 5. Bản đồ phân vùng và phân khu cân bằng nước lưu vực sông Cầu.......52 Hình 6. Kết quả hiệu chỉnh tại trạm Tân Cương.................................................55 Hình 7. Kết quả kiểm nghiệm tại trạm Tân Cương.............................................55 Hình 8. Biểu đồ phân bố cơ cấu dùng nước các hộ dùng nước trên lưu vực.....65 Hình 9. Sơ đồ hóa lưu vực sông Cầu......................................................................67 Hình 10a, b. Kết quả kiểm định mô hình MIKE BASIN tại trạm Thác Bưởi..73 Hình 11a,b. Sơ đồ tính toán cân bằng nước lưu vực sông Cầu phương án hiện trạng:a) có công trình; b) không có công trình.....................................................78 Hình 12a,b. Bản đồ phân vùng thiếu nước lưu vực sông Cầu phương án cân bằng nước hiện trạng: a) không có công trình; b) có công trình........................78 Hình 13. Sơ đồ tính toán cân bằng nước hệ thống sông Cầu bằng MIKE BASIN phương án quy hoạch 2015.....................................................................................82 Hình 14. Bản đồ phân vùng thiếu nước lưu vực sông Cầu 2015........................82 4 DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Nhiệt độ không khí trung bình tháng, tối cao và tối thấp trong thời kỳ quan trắc tại các trạm trên lưu vực………………………………………...........15 Bảng 2. Độ ẩm tương đối của không khí trung bình nhiều năm ở một số vùng15 Bảng 3. Lượng mưa tháng trung bình nhiều năm (1960-1997)………………...16 Bảng 4. Tổng lượng bốc hơi trung bình tháng và năm…………………………17 Bảng 5. Đặc trưng dòng chảy năm tại các trạm quan trắc trong lưu vực……..19 Bảng 6. Lưu lượng lớn nhất trong các tháng mùa lũ lưu vực sông Cầu………20 Bảng 7. Lưu lượng nhỏ nhất trong các tháng mùa kiệt………………………...21 Bảng 8. Tài liệu khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Cầu và các số liệu đã thu thập………………………………………………………………………………...23 Bảng 9. Diện tích một số cây trồng chính trên lưu vực…………………………25 Bảng 10. Số lượng gia súc và gia cầm trên lưu vực……………………………..25 Bảng 11. Tổng hợp diện tích nuôi trồng thủy sản theo các địa phương……….26 Bảng 12. Hiện trạng lâm nghiệp các tỉnh thuộc lưu vực sông Cầu năm 2006...29 Bảng 13. Đặc điểm của các vùng và khu tính cân bằng nước………………….51 Bảng 14. Các trạm mưa và trọng số mưa tính toán trong quá trình hiệu chỉnh và kiểm nghiệm các bộ thông số………………………………………………….54 Bảng 15. Các bộ thông số và độ hữu hiệu của mô hình NAM……………….....54 Bảng 16. Kết quả tính toán lưu lượng trung bình tháng, năm............................54 Bảng 17. Nhu cầu nước tưới tại các tiểu khu trên lưu vực sông Cầu………….56 Bảng 18. Định mức dùng nước sinh hoạt………………………………………..57 Bảng 19. Nhu cầu nước sinh hoạt tại các tiểu khu trên lưu vực sông Cầu…….57 Bảng 20. Định mức dùng nước trong chăn nuôi………………………………...58 Bảng 21. Nhu cầu nước cho chăn nuôi trong các tiểu khu thuộc lưu vực sông Cầu…………………………………………………………………………………58 5 Bảng 22. Nhu cầu nước cho công nghiệp trong các tiểu khu thuộc lưu vực sông Cầu…………………………………………………………………………………59 Bảng 23. Nhu cầu nước cho giao thông thủy và bảo vệ môi trường trong các tiểu khu thuộc lưu vực sông Cầu…………………………………………………60 Bảng 24. Nhu cầu nước cho thương mại, dịch vụ và du lịch trong các tiểu khu thuộc lưu vực sông Cầu…………………………………………………………...61 Bảng 25. Nhu cầu nước cho các hoạt động đô thị trong các tiểu khu thuộc lưu vực sông Cầu………………………………………………………………………62 Bảng 26. Nhu cầu nước cho thủy sản trong các tiểu khu thuộc lưu vực sông Cầu…………………………………………………………………………………63 Bảng 27. Tổng hợp nhu cầu sử dụng nước tại tiểu vùng I1…………………….63 Bảng 28. Tổng hợp nước dùng tại các tiểu khu trên lưu vực sông Cầu…….....64 Bảng 29. Nhu cầu nước và cơ cấu nhu cầu nước của các hộ dùng nước chủ yếu trên lưu vực sông Cầu…………………………………………………………….65 Bảng 30. Hiện trạng các công trình thủy lợi trên lưu vực sông Cầu..................67 Bảng 31. Hiện trạng dùng nước các ngành kinh tế trên lưu vực sông Cầu năm 2007………………………………………………………………………………...70 Bảng 32. Cán cân giữa lượng nước đến và lượng nước dùng tại các tiểu vùng.72 Bảng 33. Kết quả tính toán cân bằng nước tiểu khu I1………………………...73 Bảng 34. Kết quả tính toán cân bằng nước năm 2007 trên lưu vực sông Cầu..74 Bảng 35. Tổng hợp kết quả tính toán……………………………………………75 Bảng 36. Kết quả tính toán cân bằng nước năm 2007 trên lưu vực sông Cầu..76 Bảng 37. Tổng hợp kết quả tính toán……………………………………………76 Bảng 38. Tổng hợp các thông số cơ bản của hồ chứa Văn Lăng………………79 Bảng 39. Kết quả tính toán cân bằng nước năm 2015 trên lưu vực sông Cầu..80 Bảng 40. Tổng hợp kết quả tính toán cân bằng nước năm 2015………………81 6 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT CROPWAT Mô hình tính nhu cầu tưới của cây trồng theo chỉ tiêu sinh thái GIBSI Bộ mô hình tổng hợp của Canada (Gestion Intégrée des Bassins versants à l’aide d’un Système Informatisé) IQQM Mô hình mô phỏng nguồn nước ISIS Mô hình thủy động lực học (Interactive Spectral Interpretation System) 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-Afstromnings- Model) QUAL2E Mô hình chất lượng nước (Water Quality version 2E) SSARR Mô hình hệ thống diễn toán dòng chảy của Mỹ (Streamflow Synthesis and Reservoir Regulation) SWAT Mô hình mô phỏng dòng chảy mặt qua độ ẩm đất (Soil and Water Assessment Tool) TANK Mô hình bể chứa của Nhật bản WUP Chương trình sử dụng nước WEAP Mô hình hệ thống đánh giá và phát triển nguồn nước (Water Evaluation and Planning System) TM, DV, DL Thương mại, dịch vụ, du lịch GTT, BVMT Giao thông thủy, bảo vệ môi trường 7 MỞ ĐẦU Trong công tác quy hoạch và phát triển tài nguyên nước, việc tính toán cân bằng nước hệ thống hết sức quan trọng. Kết quả tính cân bằng nước hệ thống là cơ sở để đề ra các phương án quy hoạch, sử dụng và phát triển hợp lý tài nguyên nước cũng như lựa chọn phương án và trình tự thực hiện phương án quy hoạch qua các giai đoạn. Lưu vực sông Cầu là một lưu vực quan trọng ở miền bắc Việt Nam, với diện tích lưu vực hơn 6030 km2, trải trên địa phận của 5 tỉnh: Bắc Cạn, Thái Nguyên, Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Bắc Giang và thành phố Hà Nội, là nguồn cung cấp nước sinh hoạt cũng như mọi hoạt động kinh tế xã hội của 5 tỉnh và thủ đô cả nước. Rất nhiều kế hoạch phát triển về kinh tế xã hội quan trọng đang được dự định tiến hành cho khu vực này. Tuy vậy, việc sử dụng tài nguyên nước trên lưu vực sông Cầu vẫn còn tồn tại những vấn đề sau: - Phương thức khai thác, sử dụng và quản lý tài nguyên nước chưa hiệu quả, thiếu đồng bộ. Việc phân bổ tài nguyên nước chưa hợp lý, chưa đáp ứng được nhu cầu của các hộ dùng nước. - Mâu thuẫn giữa nhu cầu dùng nước và lượng nước đến. Nhu cầu dùng nước ngày một tăng lên trong khi lượng nước đến không tăng mà còn có xu hướng suy giảm về chất và lượng do sự khai thác không đi cùng với việc bảo vệ và phát triển bền vững tài nguyên nước. - Tài nguyên đất đang được khai thác và sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như phát triển công nghiệp, dịch vụ, thủy sản, chuyển đổi giống cây trồng và vật nuôi... cũng gây tác động rất lớn đến nguồn nước. Chính vì vậy, luận văn với đề tài “Tính toán cân bằng nước hệ thống lưu vực sông Cầu bằng mô hình MIKE BASIN” đã được thực hiện để giải quyết bài toán cân bằng nước hệ thống cho lưu vực sông Cầu nhằm đáp ứng yêu cầu cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn của công tác quy hoạch tổng hợp, khai thác sử dụng và phát triển tài nguyên nước một cách hợp lý và bền vững, đảm bảo cho các kế hoạch phát triển kinh tế xã hội của lưu vực. 8 Luận văn được bố cục thành 3 chương, cùng với phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục: Chương 1. Điều kiện địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội lưu vực sông Cầu Chương 2. Tổng quan cân bằng nước hệ thống Chương 3. Áp dụng mô hình MIKE BASIN cân bằng nước hệ thống lưu vực sông Cầu Luận văn được hoàn thành tại Khoa Khí tượng - Thủy văn và Hải dương học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Thanh Sơn. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất tới thầy, người đã luôn động viên và tạo điều kiện, tận tình chỉ dẫn và góp ý để tác giả hoàn thành luận văn này. Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả xin bày tỏ sự cảm ơn đến các thầy cô trong Bộ môn Thủy văn, các thầy cô giáo, đồng nghiệp trong khoa về sự hỗ trợ chuyên môn và kỹ thuật, cũng như sự giúp đỡ về thời gian, điều kiện nghiên cứu thuận lợi. 9 Chương 1 ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ XÃ HỘI LƯU VỰC SÔNG CẦU 1.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN 1.1.1 Vị trí địa lý Lưu vực sông Cầu nằm ở toạ độ từ 21007’ đến 22018’ vĩ độ bắc, 1050 28’ đến 106008’ kinh độ đông và có diện tích 6.030 km2. Lưu vực bao gồm toàn bộ hoặc một phần lãnh thổ của các tỉnh Bắc Cạn, Thái Nguyên, Bắc Ninh, Bắc Giang, Vĩnh Phúc, Hà Nội, được giới hạn bởi: cánh cung sông Gâm ở phía tây, cánh cung Ngân Sơn ở phía đông, phía bắc và tây bắc giới hạn bởi những dãy núi cao hơn 1000m, phía nam giáp với Hải Dương và Hà Nội. Sơ đồ lưu vực sông Cầu được thể hiện trong hình 1. Sông Cầu bắt nguồn từ vùng núi Phia-Đeng cao 1527 m ở sườn đông nam của dãy Pia-bi-óc, vùng núi cao của tỉnh BắcCạn. Dòng chính sông Cầu có hướng chảy Bắc - Nam từ Bắc Cạn về Thái Nguyên, sau đó đổi hướng tây bắc - đông nam, chảy qua Chợ Đồn, Chợ Mới, Thái Nguyên, Bắc Giang, Bắc Ninh và đổ vào sông Thái Bình tại Phả Lại - Hải Dương. Lưu vực có tổng chiều dài các nhánh sông khoảng 1600 km. 1.1.2 Địa hình Địa hình lưu vực sông Cầu đa dạng và phức tạp bao gồm cả 3 dạng địa hình miền núi, trung du và đồng bằng. Ở phía bắc và tây bắc có những đỉnh núi cao trên 1000m (Hoa Sen 1525m, Phia Đeng 1527m, Pianon 1125m. Ở phía đông có những đỉnh núi cao trên 700m (Cóc Xe 1131m, Lung Giang 785m, Khao Khiên 1107m). Dãy núi Tam Đảo ở phía tây có đỉnh Tam Đảo cao 1592m, chạy theo hướng tây bắc-đông nam. Nhìn chung, địa hình lưu vực thấp dần theo hướng tây bắc-đông nam và có thể chia ra làm 3 vùng: thượng lưu, trung lưu và hạ lưu.[11] Thung lũng sông phía thượng lưu và trung lưu nằm giữa cánh cungsông 10 Gâm và cánh cung Ngân Sơn - Yên Lạc. Đường phân nước của lưu vực sông Cầu được xác định rõ ràng. Thượng lưu sông Cầu chảy trong vùng núi theo hướng gần bắc - nam, cao trung bình 300-400 m, có những đỉnh cao tới 1326-1525 m; lòng sông hẹp và rất dốc, nhiều thác ghềnh; uốn khúc quanh co, hệ số uốn khúc lớn (lớn hơn 2,0); độ rộng trung bình trong mùa cạn khoảng 50-60m và mùa lũ tới 80-100m; độ dốc đáy sông đạt trên 10 o oo . Hình 1. Sơ đồ lưu vực sông Cầu 11 Trung lưu có thể kể từ chợ Mới, nơi sông Cầu cắt qua cánh cung Ngân Sơn chảy theo hướng tây bắc - đông nam trên một đoạn khá dài rồi lại trở lại hướng cũ cho tới Thái Nguyên. Đoạn này thung lũng sông mở rộng, núi đã thấp xuống rõ rệt và ở xa bờ sông; độ cao trung bình chỉ khoảng 100-200 m, độ dốc đáy sông cũng giảm chỉ còn khoảng 0,5 o oo . Lòng sông còn mở rộng tới 80-100 m, dòng sông còn uốn khúc mạnh (hệ số uốn khúc 1,90). Hạ lưu kể từ dưới Thác Huống cho tới Phả Lại. Hướng chảy của dòng sông lại chuyển sang hướng tây bắc - đông nam. Địa hình hai bên sông cao trung bình 10-25 m và độ dốc sông chỉ còn 0,1 o oo ; lòng sông rộng tới 70-150 m và sâu trung bình từ 3-7 m trong mùa cạn. 1.1.3 Địa chất • Vùng hạ lưu thuộc hệ đệ tứ bồi tích, trầm tích sỏi, cát, đất thịt. Với các đặc điểm địa chất ở vùng đồng bằng, khi xây dựng các công trình thủy lợi thường gặp khó khăn trong việc xử lý nền móng. • Vùng thượng và trung lưu bao gồm các hệ như sau: - Hệ Jura không phân chia, tạo thành trầm tích của núi lửa màu đỏ phún xuất axit và bazơ, sa thạch, alơrolit. - Hệ Trias không phân chia: sa thạch, diệp thạch, sạn kết, đá vôi, phún xuất bazơ và axit. - Hệ Đề vôn: các bậc Eifili, Givêti, đá vôi, diệp thạch sét. - Hệ Odôvialôlit và sa thạch, đôi khi dạng dải, đá vôi. Đặc điểm địa chất vùng miền núi rất thuận tiện cho việc xây dựng công trình. Trên lưu vực có 4 tầng chứa nước lỗ hổng, 21 tầng chứa nước khe nứt và 2 tầng rất nghèo nước. Trong đó có 4 tầng chứa nước thuộc tầng chứa nước lỗ hổng và 4 tầng chứa nước (tầng trầm tích cacbonat hệ tầng Bắc Sơn, tầng trầm tích Đề vôn hệ tầng Tốc Tác, tầng trầm tích Đề vôn hệ tầng Nà Quản và tầng trầm tích Silua- Đề vôn hệ tầng Pia Phương) thuộc hệ tầng chứa nước khe nứt là những tầng 12 chứa nước được khai thác phục vụ sản xuất, sinh hoạt cho các tỉnh trên lưu vực. [11] 1.1.4 Thổ nhưỡng Dựa theo nguồn gốc phát sinh, thổ nhưỡng trong lưu vực sông Cầu có thể phân thành những nhóm chính dưới đây: - Nhóm đất feralít đỏ vàng phát triển trên đá phiến thạch sét, phiến sa và biến chất. Loại đất này thường chu, khả năng giữ nước kém, tỷ lệ sắt trong đất cao, giầu canxi. Đây là nhóm đất thích hợp cho phát triển sản xuất lâm nghiệp, cây công nghiệp (chè), cây ăn quả. Nhóm đất feralít đỏ vàng phát triển trên đá macma a xít, phân bố tập trung ở sườn một số dãy núi nằm ở phía tây và tây nam lưu vực; độ dày tầng đất vào loại trung bình và mỏng. - Nhóm đất phát triển trên đá kiềm (đá vôi, đá bazic). Loại đất phát triển trên đá vôi ở huyện Bạch Thông, đất tốt, thích hợp cho trồng cây nông nghiệp ngắn ngày, giầu chất canxi, nhưng độ dày không đồng đều và thiếu nước mặt. Loại đất phát triển trên đá kiềm tập trung ở phía tây và tây nam huyện Phú Lương tỉnh Thái Nguyên, giầu chất dinh dưỡng, độ dày thường sâu, thuận tiện cho trồng cây công nghiệp. - Nhóm đất phát triển trên phù sa cổ tập tr