Môt số kết quả nghiên cứu về phương pháp tính toán dòng chảy môi trường ứng dụng cho quy hoạch tài nguyên nước lưu vực sông

Nội dung text: Môt số kết quả nghiên cứu về phương pháp tính toán dòng chảy môi trường ứng dụng cho quy hoạch tài nguyên nước lưu vực sông

1. Môt số kết quả nghiên cứu về phương pháp tính toán dòng chảy môi trường ứng dụng cho quy hoạch tài nguyên nước lưu vực sông. Th.s Nguyễn Văn Sỹ , PGS,TS Nguyễn Văn Thắng, Tóm tắt Dòng chảy môi trường (DCMT) và phương pháp tính toán/ xác định DCMT là một trong những vấn đề khoa học rất được quan tâm trên thế giới cũng như ở nước ta hiện nay đặc biệt là trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước lưu vực sông. Tuy nhiên, ở nước ta DCMT mới được tiếp cận trong những năm gần đây chưa có nhiều các kết quả nghiên cứu và ứng dụng. Báo cáo khoa học này trình bày một số ý kiến về ứng dụng một số phương pháp tính toán DCMT trên thế giới đối với các lưu vực sông ở Viêt Nam. Qua nghiên cứu báo cáo cũng trình bày một phương pháp tính toán DCMT dựa trên kết hợp phương pháp thủy văn và thủy lực để ứng dụng cho quy họach và quản lý tài nguyên nước lưu vực sông, đặc biệt là trên lưu vực sông Ba và sông Trà Khúc thuộc vùng ven biển Miền Trung. 1. Giới thiệu chung Về khái niệm thì “Dòng chảy môi trường (DCMT) là chế độ dòng chảy cần duy trì trong sông, trong đầm phá hay trong các khu vực cửa sông ven biển nhằm duy trì các hệ sinh thái nước và các giá trị của hệ sinh thái nhất là khi nguồn nước của dòng sông chịu ảnh hưởng của các hoạt động điều tiết và có sự cạnh tranh trong sử dụng nước”. Về mặt thủy văn thì chế độ DCMT là tổ hợp các đặc trưng dòng chảy trong sông (như lưu lượng, vận tốc, tần suất và thời gian xuất hiện của quá trình lượng nước lấy đi hoặc xả vào hệ thống sông) để duy trì hệ sinh thái và sức khoẻ của dòng sông. Ở nước ta trong một khoảng thời gian rất dài trong quá khứ việc xây dựng và vận hành các công trình khai thác sử dụng nước trên lưu vực sông chúng ta không quan tâm đến yêu cầu duy trì DCMT trong sông. Thí dụ một hồ chứa hoặc đập dâng trong thiết kế trước đây được phép lấy toàn bộ lượng dòng chảy tự nhiên của sông trong mùa cạn để dẫn vào sử dụng trong khu tưới mà không quan tâm đến việc lấy nước như thế có thể làm cạn kiệt đoạn sông hạ lưu ngay sau đập và ảnh hưởng xấu đến tài nguyên sinh vật và hệ sinh thái nước của đoạn sông này. Do những bức xúc và các đòi hỏi về bảo vệ tài nguyên nước và môi trường dòng sông, trong Chiến lược quốc gia về Tài nguyên nước đến năm 2020 đã được Chính Phủ thông qua tháng 4/2006 đã đặt ra yêu cầu trong khai thá́c sử dụng tài nguyên nước vẫn phải chú trọng bảo vệ tài nguyên nước và hệ sinh thái thủy sinh, đặc biệt là phải đảm bả̃o DCMT cụ thể là:“ bảo đảm dòng chảy tối thiểu duy trì hệ sinh thái thuỷ sinh theo quy hoạch được cấp có thẩm quyền phê duyệt, trọng điểm là các sông có hồ chứa nước, đập dâng lớn, quan trọng”. Điều đó cho thấy tính cấp thiết, cũng như quyết tâm của Nhà nước để đưa DCMT vào trong chính sách quản lý tài nguyên nước để thực hiện trong thực tế ở nước ta hiện nay. “Đánh giá dòng chảy môi trường là đánh giá nhu cầu nước cho hệ sinh thái và yêu cầu duy trì dòng chảy môi trường trong hệ thống sông ”. Đối với một lưu vực sông, để đánh giá DCMT cần đưa ra chế độ DCMT cần thiết để đảm bảo nước cho hệ sinh thái tại các vị trí khống chế trên sông chính và các sông nhánh và quản lý DCMT tại các vị trí tuyến này. Trên thế giới DCMT đã được nghiên cứu trong khoảng nửa thế kỷ gần đây, cho đến nay có đến trên 200 phương pháp đánh giá DCMT được xây dựng và ứng dụng ở các nước trên thế
2. giới thuộc các nhóm: (i) phương pháp thuỷ văn, (ii) phương pháp thuỷ lực, (iii) phương pháp mô phỏng môi trường sống, (iv) phương pháp tiếp cận tổng thể, (v) phương pháp chuyên gia, và (vi) phương pháp kết hợp. Do yêu cầu duy trì DCMT mới được đặt ra trong quản lý TNN nên ở nước ta hiện nay chưa có nhiều các kết quả nghiên cứu về ứng dụng và các phương pháp tính toán DCMT. Đề cập đến vấn đề này bài báo sẽ trình bày một số ý kiến đánh giá về ứng dụng một số phương pháp đánh giá DCMT của thế giới trong quy hoạch và quản lý TNN ở nước ta và đề xuất một phương pháp tính toán DCMT trên lưu vực sông Ba và sông Trà Khúc cùng các ý kiến trao đổi và thảo luận. 2. Về vấn đề ứng dụng một số phương pháp đánh giá DCMT thông dụng trên thế giới vào điều kiện cụ thể các lưu vực sông ở nước ta. Trong các nhóm phương pháp đã nêu ở trên, phương pháp thủy văn và phương pháp thủy lực là các phương pháp tương đối đơn giản được ứng dụng rộng rãi để đánh giá DCMT trên thế giới. Nghiên cứu ứng dụng thử nghiệm các phương pháp này trên lưu vực sông Ba và sông Trà Khúc của vùng VBMT chúng tôi có một số ý kiến đánh giá như sau: (1). Phương pháp thủy văn. Trong các phương pháp thuỷ văn giá trị DCMT thường được lấy theo tỷ lệ % cố định của lượng dòng chảy trung bình trong sông tương ứng với mức dòng chảy cần duy trì để bảo vệ các giá trị thuỷ sản nước ngọt có các đặc điểm sinh thái được chú ý, hoặc để duy trì sức khoẻ của dòng sông ở những mức độ mong muốn. Phương pháp Tennant là một phương phá́p đặc trưng nhằm bảo vệ loài cá hồi có giá trị thương mại trong các sông vùng phía Tây nước Mỹ. DCMT theo phương pháp này được tính theo tỷ lệ phần trăm % của chuẩn dòng chảy năm Q0 tại tuyến tính toán tuỳ theo mục tiêu bảo vệ môi trường (BVMT) sông ở mức tốt, trung bình hay kém như trong bảng 1. Bảng 1. Phần trăm (%) của chuẩn dòng chảy Q0 để tính toán DCMT tương ứng với các mục tiêu bảo vệ môi trường sông theo phương pháp Tennant. Phần trăm của chuẩn dòng chảy Mục tiêu bảo vệ môi trường và năm (Q ) phải duy trì cho DCMT hệ sinh thái sông 0 Xuân hạ Thu đông Môi trường sông ở mức tuyệt đối hay hoàn hảo 40 60 Môi trường sông ở mức rất tốt 30 50 Môi trường sông ở mức tốt 20 40 Môi trường sông ở mức trung bình hoặc đang bị suy giảm 10 30 Môi trường sông ở mức kém hoặc tối thiểu 10 10 Sông ở mức suy thoái rất nặng 10 tới 0 10 tới 0 Để ứng dụng phương pháp Tennant, tại các tuyến tính toán cần tính giá trị Q0 , và từ tỷ lệ % lấy trong bảng 1 ứng với mục tiêu BVMT và HST thủy sinh đã lựa chọn sẽ xác định được Q dòng chảy môi trường cần duy trì trong sông trong 2 mùa xuân hạ, và thu đông đối với nước Mỹ hoặc 2 mùa lũ và mùa cạn đố́i với các sông ở Việt Nam. Qua ứng dụng phương pháp này cho một số tuyến tính toán trên lưu vực sông Ba và sông Trà Khúc (xem bảng 3) chúng tôi thấy rằng: - Ưu điểm của phương pháp là rất dễ ứng dụng trong điều kiện các sông của Việt Nam bởi vì̀̀ ̣ Q0 là một đặc trưng thủy văn chủ yếu có thể tính toán từ số liệu thực đo Q của các trạm thủy văn trên
3. lưu vực sông, hoặc tính gián tiếp từ số liệu mưa X0 theo mô hình toán thủy văn hoặc phương trình cân bằng nước lưu vực. - Kết quả tính toán DCMT theo PP Tennant cho các tuyến tính toán trên lưu vực sông Ba và sông Trà Khúc cho thấy để bảo đảm điều kiện môi trường ở mức tốt thì giá trị DCMT trung bình trong mùa cạn bằng khoảng 70% lượng dòng chảy tự nhiên. Để đảm bảo điều kiện môi trường ở các mức thấp hơn thì tỷ lệ của DCMT so với dòng chảy tự nhiên sẽ thấp hơn. Thí dụ: (i) ở mức trung bình hay đang bị suy giảm thì DCMT trong mùa cạn tại trạm Củng Sơn trên sông Ba chỉ còn 46% và tại trạm Sơn Giang trên sông Trà Khúc chỉ còn 27,4% so với dòng chảy tự nhiên, (ii) ở mức rất kém hay đã suy thoái thì DCMT trong mùa cạn tại trạm Củng Sơn trên sông Ba chỉ còn 33% và tại trạm Sơn Giang trên sông Trà Khúc chỉ còn 23,6% so với dòng chảy tự nhiên. Điều này cũng phù hợp với nhận xét ứng dụng phương pháp Tennant của nhiều nhiều sông trên thế giới. - Mặc dù còn hạn chế về độ chính xác của kết quả tính toán, nhưng với ưu điểm đơn giản và dễ ứng dụng, hơn nữa cũng có sự phù hợp nhấ́t định với chế độ dòng chảy tự nhiên nên ở nước ta có thể dùng phương pháp này để đánh giá nhanh DCMT trong giai đoạn quy hoạch TNN. (2). Phương pháp thủy lực Phương pháp chu vi ướt là đặc trưng cho phương pháp thuỷ lực để đánh giá DCMT. Giả thiết cơ bản của phương pháp là coi sự tồn tại và phát triển của cá và các sinh vật thuỷ sinh trong sông luôn liên quan đến diện tích nơi ở cũng là nơi cung cấp nguồn thức ăn của chúng, hay nói cách khác giữa sự tồn tại và phát triển của cá cũng như các sinh vật thuỷ sinh có mối quan hệ với phần mặt cắt sông bị ngập nước hay chu vi ướt của mặt cắt. Theo phương pháp chu vi ướt thì khi nước sông dâng lên ngập bãi thì chu vi ướt tăng lên đột biến và trên đường quan hệ chu vi ướt và lưu lượng nước xuất hiện điểm uốn. Giá trị lưu lượng nước tại các điểm uốn có thể lấy làm giá trị dòng chảy môi trường cần duy trì trong sông Hình 1 Quan hệ chu vi ướt mặt cắt và lưu lượng nước Q- χ Theo phương pháp chu vi ướt, lưu lượng nước chảy qua mặt cắt tương ứng với mỗi độ sâu mực nước tính theo công thức chảy ổn định (Chezi – manning): Q= 1/n. J1/2 R2/3 Trong đó: Q là lưu lượng nước chảy qua mặt cắt, J là độ dốc mặt nước, R là bán kính thuỷ lực (bằng diện tích mặt cắt / chu vi ướt χ), n là hệ số nhám lòng sông tại vị trí tuyến tính toán. Độ nhám của lòng sông tại mặt cắt tính toán sẽ lựa chọn dựa theo tình hình thực tế của lòng sông tham khảo bảng tra độ nhám trong sổ tay thuỷ lực. Qua kết quả tính toán DCMT theo phương pháp chu vi ướt cho một số tuyến trên lưu vực song Ba và Sông Trà Khúc ( xem bảng 3) có thể thấy rằng: - Phương pháp chu vi ướt đơn giản, dễ ứng dụng, số liệu mặt cắt sông có thể đo đạc xác định trong khi điều tra thực địa. - Một ưu điểm nổi bật khác của phương pháp đó là cơ sở của tính toán DCMT dựa trên phân tích điểm uốn trên quan hệ giữa Q và chu vi ướt tại mặt cắt là rất phù hợp với quan điểm sinh thái. Vì thế phương pháp chu vi ướt đã gián tiếp biểu thị mối quan hệ giữa dòng chảy (Q)
4. với yếu tố sinh thái tại mặt cắt sông (do chu vi ướt cũng gián tiếp biểu thị diện tích nơi ở và tìm kiếm thức ăn của cá và các sinh vật thuỷ sinh). - Qua ứng dụng có thể thấy tồn tại chủ yếu của phương pháp chu vi ướt là có sai số tương đối lớn trong tính toán Q chảy qua mặt cắt bằng công thức Chezi- manning, bời vì giá trị Q phụ thuộc rất nhiều vào chọn hệ số nhám và độ dốc mặt nước J nên chỉ cần thay đổi một ít giá trị độ nhám n thì cũng có thể gây nên biến đổi nhiều ở giá trị Q tính toán, mà hệ số nhám chỉ được chọn một cách đơn giản theo bảng tra thuỷ lực tuỳ theo điều kiện địa mạo của đoạn sông khó đảm bảo chính xác được. Chúng tôi thấy rằng phương pháp này có thể sử dụng trong thực tế để̉ tính toán DCMT ở nước ta, tuy nhiên cần xem xét lại cách tính Q để xây dựng quan hê Q - χ sao cho hạn chế sai số tính toán như nêu trên. 3. Phương pháp đề xuất 1) Cơ sở xây dựng phương pháp Phương pháp tính toán DCMT đề xuất sau đây dựa trên cơ sở kết hợp phương pháp thuỷ văn, thuỷ lực và sinh thái để đưa ra các đặc trưng của DCMT cho tuyến tính toán, cụ thể là: - Kế thừa cơ sở khoa học của phương pháp chu vi ướt, phương pháp đề xuất sẽ đi sâu vào phân tích và xây dựng quan hệ giữa lưu lượng ngập bãi (yếu tố thuỷ văn) với diện tích nơi ở của cá (yếu tố sinh thái) và từ điểm uốn của quan hệ này xác định giá trị DCMT. - Cũng để hạn chế sai số và khắc phục sự thiếu tin cậy trong kết quả tính toán lưu lượng nước chảy qua mặt cắt (lưu lượng ngập bãi) dựa trên công thức thuỷ lực (Chezi-manning) của phương pháp chu vi ướt, phương pháp đề xuất sẽ tính toán lưu lượng nước theo quan hệ H- Q được xây dựng bằng phương pháp thuỷ văn trên cơ sở chuỗi số lưu lượng bình quân ngày tại tuyến tính toán (thực đo, hoặc khôi phục từ trạm có số liệu thực đo Q gần nhất). - Đặc trưng DCMT được xác định trong phương pháp đề xuất ngoài giá trị độ lớn (lưu lượng nước Q) còn có thời gian duy trì Q ngập bãi trong năm (xác định trên đường cong duy trì Qbq ngày) và vận tốc nước chảy bình quân trên bãi đảm bảo điều kiện sống cho cá và các sinh vật thuỷ sinh.
5. - Lưu lượng DCMT được xác định là giá trị bình quân mùa (mùa cạn, mùa lũ) theo hai mức độ duy trì điều kiện môi trường khác nhau là : (1) trung bình, và (2) kém hay đã bị suy thoái. 2) Nội dung và các bước tính toán chủ yếu (1). Khôi phục chuỗi số liệu dòng chảy ngày cho các tuyến tính toán DCMT và sử dụng để phân tích chế độ thuỷ văn, xây dựng quan hệ H-Q và xác định đặc trưng thuỷ lực của mặt cắt sông. (2). Xây dựng đường duy trì lưu lượng bình quân ngày và sử dụng để đánh giá thời gian duy trì giá trị lưu lượng lớn hơn hay bằng giá trị lưu lượng ngập bãi tại mặt cắt sông của tuyến tính toán. (3). Phân tích xác định diện tích các bãi ngập nước (diện tích nơi ở Fng) tương ứng với các cấp mực nước và độ sâu ngập bãi, từ đó xây dựng quan hệ yếu tố thuỷ văn (lưu lượng nước) với dịên tích nơi ở của cá và sinh vật thủy sinh (Fng). (4). Phân tích đặc điểm chế độ dòng chảy, tình hình ngập các cấp bãi và biến đổi diện tích nơi ở (Fng) của cá và sinh vật thuỷ sinh, phân tích quan hệ Q-Fng để xác định chế độ dòng chảy môi trường tại tuyến tính toán. (5). Tính toán xác định DCMT dựa vào phân tích quan hệ Q ~ Fng, quan hệ H ~ Q, và tiêu chuẩn thủy văn, thủy lực, điều kiện ngập bãi như trong bảng 2. Bảng 2. Tiêu chuẩn lựa chọn DCMT theo phương pháp đề xuất Môi trường sông ở mức trung Môi trường sông ở mức tối Đặc trưng bình thiểu Mùa cạn Mùa lũ Mùa cạn Mùa lũ Tiêu chuẩn về thuỷ văn Lưu lượng DCMT so với Không nhỏ Không nhỏ Không nhỏ Không nhỏ Qbình quân mùa hơn 25% hơn 15% hơn 20% hơn 3% Tần suất duy trì (%) Không nhỏ Không nhỏ Không nhỏ Không nhỏ hơn 85% hơn 30% hơn 95% hơn 40% Tiêu chuẩn về thuỷ lực Tốc độ nước trung bình Không nhỏ Không nhỏ Không nhỏ Không nhỏ mặt cắt v (m/s) hơn 0,12 m/s hơn 0,5 m/s hơn 0,12m/s hơn 0,12m/s Tiêu chuẩn về sinh thái (diện tích nơi cư trú) điểm uốn điểm uốn Ngập một nửa bãi ngập nước Điểm uốn trong quan hệ tương đương tương đương trong mùa kiệt Q ~ Fn với bãi ngập với bãi ngập nước trong nước khi có lũ mùa kiệt tiểu mãn Tiêu chuẩn nêu trong bảng 2 là rút ra từ phân tích số́ liệu thực tế về thủy văn, thủy lực ( đường duy trì Q bình quân ngày, tốc độ nước trung bình tại mặt cắt) với diện tích ngập bãi tại các mặt cắt tiêu biểu các trạm thủy văn có số liệu trên lưu vực sông Ba và sông Trà Khúc. 3) Kết quả tính toán và nhận xét Bảng 3a. Kết quả tính DCMT theo các phương pháp tại tuyến trạm TV An Khê _ Sông Ba
6. Dòng chảy Phương pháp Phương pháp Phương pháp Đặc trưng tự nhiên Tennant chu vi ướt đề xuất Môi trường ở mức trung bình Q bq mùa cạn (m3/s) 18,1 6,2 4 5 % so với Dòng chảy tự nhiên 34% 22% 27,6% Qbq mùa lũ (m3/s) 65,4 12,4 37 63 % so với dòng chảy tự nhiên 19% 56,6% 96,3% Môi trường ở mức tối thiểu Q bq mùa cạn (m3/s) 18,1 3,1 2,8 % so với Dòng chảy tự nhiên 17% 28% Qbq mùa lũ (m3/s) 65,4 9,3 2,8 % so với dòng chảy tự nhiên 14% 4,3% Bảng 3b. Kết quả tính DCMT theo các phương pháp tại tuyến trạm TV Củng Sơn_ Sông Ba Dòng chảy tự Phương pháp Phương pháp Phương pháp Đặc trưng nhiên Tennant chu vi ướt đề xuất Môi trường ở mức trung bình Q bq mùa cạn (m3/s) 120 55,2 28,0 43,0 % so với Dòng chảy tự nhiên 46% 23,3% 35,8% Qbq mùa lũ (m3/s) 588 110,4 77,0 181 % so với dòng chảy tự nhiên 19% 13,1% 30,8 Môi trường ở mức tối thiểu Q bq mùa cạn (m3/s) 120 27,6 25,5 % so với Dòng chảy tự nhiên 23% 21,3% Qbq mùa lũ (m3/s) 588 82,8 25,5 % so với dòng chảy tự nhiên 14% 4,34% Bảng 3c: Kết quả tính DCMT theo các phương pháp tại trạm TV Sơn Giang_ Sông Trà Khúc Dòng chảy tự Phương pháp Phương pháp Phương pháp Đặc trưng nhiên Tennant chu vi ướt đề xuất Môi trường ở mức trung bình Q bq mùa cạn (m3/s) 81,9 30,6 40,0 30,0 % so với Dòng chảy tự nhiên 37% 49% 37% Qbq mùa lũ (m3/s) 432 77,2 118 82,0 % so với dòng chảy tự nhiên 18% 27% 20% Môi trường ở mức tối thiểu Q bq mùa cạn (m3/s) 81,9 19,3 18,0
7. % so với Dòng chảy tự nhiên 24% 22% Qbq mùa lũ (m3/s) 432 57,9 50,0 % so với dòng chảy tự nhiên 13% 12% Nhận xét: Phương pháp đề xuất đã̃ dựa trên cả 3 tiêu chuẩ̉̉n là thủy văn (điều kiện dòng chảy tự nhiên, đường duy trì Q), thủy lực (tốc độ̣ nước chảy trên bãi), và sinh thái (diện tích các bãi đất ngập nước ven sông) nên đã kế thừa được các ưu điểm và hạn chế được phần nào sai số tính toán mà một số phương pháp như phương pháp chu vi ướt mắc phải. Phương pháp này được nghiên cứu và đề xuất để sử dụng cho tính toán DCMT phục vụ quy hoạch tài nguyên nước cho hai lưu vực sông Ba và sông Trà Khúc. Để ứng dụng cho các lưu vực sông khá́c cần có nghiên cứu phan tích số liệu thực tế để điều chỉnh điều kiện lựa chọn DCMT như trong bảng 2 sao cho phù hợp với vùng nghiên cứu mới. 4. Kết luận Các kết quả nghiên cứu trên bước đầu đã đưa ra ý kiến về sử dụng các phương pháp đánh giá nhanh DCMT trên lưu vực sông Ba và sông Trà Khúc. Rất cần nghiên cứu mở rộng thêm cho các lưu vực sông khác để có kết quả toàn diện hơn. Để thuận tiện cho ứng dụng, chúng tôi đã xây dựng phần mềm tính toán cho các phương pháp trên nên việc ứng dụng các phương pháp trong thực tế cũng rất thuận tiện và nhanh chóng.
8. Tai liệu tham khảo Nghiên cứu cơ sở khoa học và phương pháp tính toán ngưỡng khai thác sử dụng nước và dòng chảy môi trường, ứng dụng cho lưu vực sông Trà Khúc và lưu vực sông Ba. Báo cáo đề tài NCKH của Bộ NN&PTNT 2004-2005, chủ nhiệm PGS,TS Nguyễn Văn Thắng. Abstract Research on Environmental Flow Estimation Serving for Water resources planning in river basin M.Sc Nguyen Van Sy and Assoc. Prof. Dr. Nguyen Van Thang Environmental flow and estimation methods are most scientific concerning problems in the world as well as in Vietnam at the present, especially on water resources planning and management. In Vietnam environmental flow is a new concept, so that scientific results on environmental flow estimations are still very limited. To study this problem, the paper will present initial ideals on the application of environmental flow estimation methods of the world to Vietnam river basins, and then to introduce a new method based on hydrology- hydraulic combination developed by authors serving for water resources planning and management in river basins, especially in the Tra Khuc and the Ba river basins in the mid Central region of Vietnam.