Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy

Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.

Trang 2

TỐNG THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯUVỰC SÔNG NHUỆ - SÔNG ĐÁY

Ngành: Kỹ thuật địa chấtMã số: 9520501

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS NGUYỄN THỊ THANH THUỶ2 TS NGUYỄN BÁCH THẢO

Hà Nội - Năm 2024

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kếtquả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ côngtrình nào khác.

Tác giả Luận án

Tống Thanh Tùng

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Luận án được thực hiện và hoàn thành tại Bộ môn Địa chất thủy văn, KhoaKhoa học và Kỹ thuật Địa chất, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫnkhoa học của TS Nguyễn Thị Thanh Thủy và TS Nguyễn Bách Thảo Tác giả xinbày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến các thầy, cô đã tận tình hướng dẫn, động viênvà tạo điều kiện tốt nhất cho NCS hoàn thành luận án của mình.

Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, viết luận án, tác giả luôn nhận đượcsự động viên tinh thần cùng sự hướng dẫn tận tình của Tiểu ban hướng dẫn, các thầycô trong Bộ môn Địa chất thủy văn và các thầy, cô trong Trường Đại học Mỏ - Địachất Bên cạnh đó NCS còn được tạo điều kiện và sự hỗ trợ của các anh, chị chuyênviên phòng Đào tạo Sau đại học và đặc biệt là sự trợ giúp của Lãnh đạo, đồngnghiệp cơ quan NCS chân thành cảm ơn những sự giúp đỡ quý báu đó.

Trong quá trình làm luận án, NCS cũng nhận được sự giúp đỡ, đóng góp ýkiến từ nhiều nhà khoa học là PGS.TS Đoàn Văn Cánh, PGS.TS Nguyễn Văn Lâm,PGS.TS Phạm Quý Nhân, TS Đặng Đình Phúc, PGS.TS Nguyễn Tiền Giang,PGS.TS Trần Kim Châu… và nhiều cá nhân khác NCS xin chân thành cảm ơnnhững sự giúp đỡ quý báu của các nhà khoa học, các cá nhân trên.

NCS xin cảm ơn những người thân yêu trong gia đình đã luôn gần gũi, chia sẻ,cảm thông và động viên kịp thời để NCS có thể tập trung thời gian cho việc hoànthành chương trình học của mình.

Hà Nội, ngàythángnăm 2024

Tác giả Luận án

Tống Thanh Tùng

Trang 5

1 Tính cấp thiết của luận án 1

2 Mục tiêu của luận án 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Những điểm mới của luận án 3

6 Luận điểm bảo vệ 3

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 4

8 Cơ sở tài liệu của luận án 4

9 Cấu trúc của luận án 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG 6

1.1 Khái quát về cân bằng nước 6

1.2 Tổng quan nghiên cứu phân vùng cân bằng nước 7

1.2.1 Các nghiên cứu ngoài nước 7

1.2.2 Các nghiên cứu ở trong nước 10

1.3 Tổng quan nghiên cứu tính toán cân bằng nước lưu vực sông 15

1.3.1 Các nghiên cứu ngoài nước 16

1.3.2 Các nghiên cứu ở trong nước 19

1.4 Tiểu kết chương 1 23

CHƯƠNG 2 ĐẶC ĐIỂM VÙNG NGHIÊN CỨU, PHÂN VÙNG CÂN BẰNG NƯỚCVÀ XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN THAM GIA CÂN BẰNG NƯỚC LƯU VỰCSÔNG NHUỆ - ĐÁY 26

Trang 6

2.1 Đặc điểm vùng nghiên cứu 26

2.1.1 Vị trí địa lý 26

2.1.2 Đặc điểm khí hậu 27

2.1.3 Đặc điểm tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy 30

2.2 Nguyên tắc, cơ sở phân vùng tính toán cân bằng nước 38

2.3 Phân vùng cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy 40

2.3.1 Phân chia các tiểu lưu vực 40

2.3.2 Đặc điểm cấu trúc địa chất thủy văn, sơ đồ thủy động lực, hướng vận độngnước dưới đất, vùng cấp và thoát của nước dưới đất 42

2.3.3 Hiện trạng các công trình khai thác sử dụng nước, công trình tiêu thoátnước; vùng tưới, vùng tiêu thoát nước, vùng cấp nước và phạm vi chịu tác độngcủa các công trình khai thác sử dụng nước 46

2.3.4 Đặc điểm hiện trạng chất lượng môi trường các nguồn nước 48

2.4 Kết quả phân vùng cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy 50

2.5 Xác định các thành phần tham gia cân bằng nước 53

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ CÂN BẰNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - ĐÁY .583.1 Cơ sở lý thuyết mô hình tính toán cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy583.1.1 Mô hình thủy văn nước mặt SWAT 60

3.1.2 Mô hình dòng chảy nước dưới đất (Modflow) 61

3.1.3 Mô hình SWAT - MODFLOW 62

3.2 Xây dựng mô hình xác định các thành phần cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ- Đáy 65

3.2.1 Xây dựng mô hình thủy văn SWAT 65

3.2.2 Xây dựng mô hình dòng chảy nước dưới đất 82

3.3 Kết quả đánh giá cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy 90

3.3.1 Cân bằng nước trong vùng 1 90

Trang 7

3.3.6 Cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy 116

CHƯƠNG 4 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN KHAI THÁC SỬ DỤNG HỢP LÝ TÀINGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - ĐÁY 121

4.1 Xác định các đặc trưng thành phần cân bằng nước LVS Nhuệ - Đáy 121

4.2 Các phương án khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên nước 125

4.2.1 Điều chỉnh vận hành, bổ sung các công trình điều tiết, khai thác nước mặt 126

4.2.2 Điều chỉnh vận hành, bổ sung các công trình khai thác nước dưới đất 127

4.2.3 Mô hình điều tiết, phân bổ tài nguyên nước 130

4.3 Định hướng khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên nước 131

4.3.1 Định hướng khai thác sử dụng, vùng cân bằng nước 1 132

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 136

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 139

TÀI LIỆU THAM KHẢO 140

Trang 8

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Trang 9

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Nhiệt độ tháng trung bình nhiều năm tại các trạm lưu vực sông Nhuệ - Đáy.27 Bảng 2.2 Bốc hơi tháng trung bình nhiều năm tại các trạm lưu vực sông Nhuệ -Đáy 28 Bảng 2.3 Độ ẩm tháng trung bình nhiều năm tại các trạm lưu vực sông Nhuệ

Bảng 3.4 Kết quả kiểm tra sự phù hợp của mô hình SWAT cho vùng cân bằng 2, vùng cân bằng 4, vùng cân bằng 5 73

Bảng 3.5 Đặc trưng dòng chảy năm tại trạm lưu vực sông Đáy 74

Bảng 3.6 Đặc trưng dòng chảy năm theo 05 vùng cân bằng nước lưu vực sông Đáy.75Bảng 3.7 Hiện trạng tưới lưu vực sông Đáy 76

Bảng 3.8 Tổng hợp hiện trạng tiêu lưu vực sông Đáy 79

Bảng 3.9 Tổng hợp hiệng trạng cống lấy nước của lưu vực sông Đáy 81

Bảng 3.10 Tổng hợp hiệng trạng cống tiêu nước của lưu vực sông Đáy 82

Bảng 3.11 Định lượng các thành phần trong cân bằng nước vùng 1 94

Bảng 3.12 Tỷ lệ đóng góp của các thành phần trong cân bằng nước vùng 1 95

Trang 10

Bảng 3.21 Định lượng các thành phần trong cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy

118

Bảng 3.22 Tỷ lệ đóng góp của các thành phần trong cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy 119

Bảng 4.1 Tổng hợp nhu cầu sử dụng nước trong lưu vực sông Nhuệ - Đáy 124

Bảng 4.2 Các bãi giếng bổ sung theo phương án đề xuất 128

Bảng 4.3 Kết quả tính tính trữ lượng khai thác dự báo theo phương án đề xuất 129

DANH MỤC HÌNH VẼHình 1.1 Bồn thu nước mặt 10

Hình 1.2 Sơ đồ quá trình nghiên cứu của Luận án 25

Hình 2.1 Sơ đồ vị trí địa lý lưu vực sông Nhuệ - Đáy 26

Hình 2.2 Đồ thị quan hệ mực nước (a) và tương quan mực nước (b) giữa lỗ khoan quantrắc Q.67 tại Tứ Liên - Tây Hồ với mực nước sông Hồng tại trạm Q.SH1 33

Hình 2.3 Đồ thị quan hệ mực nước (a) và tương quan mực nước (b) giữa lỗ khoan quantrắc Q.75 tại Hà Đông - Hà Nội với mực nước sông Đáy 34

Hình 2.4 Đồ thị quan hệ (a) và tương quan mực nước (b) giữa lỗ khoan quan trắc Q.67a tại Tây Hồ - Hà Nội với mực nước sông Hồng 36

Hình 2.5 Sơ đồ địa chất thủy văn lưu vực sông Nhuệ - Đáy 38

Hình 2.6 Địa hình lưu vực sông Nhuệ - Đáy 41

Hình 2.7 Sơ đồ phân chia các tiểu lưu vực sông Nhuệ - Đáy 42

Hình 2.8 Sơ đồ khối cấu trúc địa chất thủy văn lưu vực sông Nhuệ - Đáy 43

Hình 2.9 Sơ đồ địa chất thủy văn trước Đệ tứ lưu vực sông Nhuệ - Đáy 43

Hình 2.10 Sơ đồ phân vùng mực nước tầng qh tháng 4-2022 44

Hình 2.11 Sơ đồ phân vùng mực nước tầng qp tháng 4-2022 44

Hình 2.12 Hiện trạng công trình và đê kè trên LVS Nhuệ - Đáy 47

Hình 2.13 Hiện trạng các hệ thống thủy lợi, đê điều LVS Nhuệ - Đáy 47

Hình 2.14 Sơ đồ phân chia vùng tưới tiêu thủy lợi khu vực đồng bằng LVS Nhuệ - Đáy 48

Trang 11

Hình 2.15 Sơ đồ phân bố mặn - nhạt tầng chứa nước qh LVS Nhuệ - Đáy 49

Hình 2.16 Sơ đồ phân bố mặn - nhạt tầng chứa nước qp LVS Nhuệ - Đáy 49

Hình 2.17 Sơ đồ phân vùng cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy 53

Hình 2.18 Mô tả khái niệm về cân bằng nước (Unnikrishna, P V., 2002) 54

Hình 2.19 Các thành phần tham gia cân bằng nước lưu vực sông (phát triển từ Bizottság, E (2015)) 55

Hình 3.1 Tổng quan mô hình tích hợp SWAT – MODFLOW 63

Hình 3.2 Sơ đồ tương tác giữa nước mặt-nước dưới đất trong SWAT-MODFLOW 64

Hình 3.3 Quá trình tương tác giữa mô hình SWAT và mô hình MODFLOW 65

Hình 3.4 Bản đồ mô hình số độ cao (DEM) lưu vực nghiên cứu 67

Hình 3.5 Thiết lập tiểu lưu vực (05 phân vùng) và mạng sông trong SWAT bằng Shapefile chuẩn bị sẵn ở ngoài 67

Hình 3.6 Bản đồ mạng lưới trạm KTTV lưu vực sông Nhuệ - Đáy 70

Hình 3.7 Tiến trình chạy mô hình SWAT cho lưu vực nghiên cứu 70

Hình 3.8 Thiết lập và khởi chạy mô hình SWAT cho lưu vực sông Nhuệ - Đáy 71

Hình 3.9 Hiệu chỉnh - trạm Lâm Sơn 72

Hình 3.10 Kiểm định -Trạm Lâm Sơn 72

Hình 3.11 Tương quan - trạm Lâm Sơn (HC) 72

Hình 3.12 Tương quan - trạm Lâm Sơn (KĐ) 72

Hình 3 13 Lượng dòng chảy nội sinh và lượng bơm tiêu vào mùa lũ vùng cân bằng 2 73Hình 3.14 Tương quan dòng chảy nội sinh và lượng bơm tiêu vào mùa lũ vùng cân bằng 2 73

Hình 3 15 Lượng dòng chảy nội sinh và lượng bơm tiêu vào mùa lũ vùng cân bằng 4 73Hình 3.16 Tương quan dòng chảy nội sinh và lượng bơm tiêu vào mùa lũ vùng cân bằng 4 73

Hình 3 17 Lượng dòng chảy nội sinh và lượng bơm tiêu vào mùa lũ vùng cân bằng 5 73Hình 3.18 Tương quan dòng chảy nội sinh và lượng bơm tiêu vào mùa lũ vùng cân bằng 5 73Hình 3.19 Sơ đồ phạm vi xây dựng mô hình dòng chảy nước dưới đất LVS Nhuệ - Đáy

Trang 12

83

Hình 3.20 Sơ đồ khối cấu trúc các lớp trong mô hình 84

Hình 3.21 Sơ đồ phân vùng hệ số thấm lớp 2 (tầng chứa nước qh) 85

Hình 3.22 Sơ đồ phân vùng hệ số thấm lớp 4 (tầng chứa nước qp) 85

Hình 3.23 Sơ đồ phân vùng hệ số thấm lớp 5 (tầng chứa nước khe nứt) 86

Hình 3.24 Sơ đồ vị trí các giếng khai thác nước trong khu vực nghiên cứu được mô hình hóa 86

Hình 3.25 Sơ đồ hóa điều kiện biên đối với các tầng chứa nước khu vực nghiên cứu 88

Hình 3.26 Đồ thị biểu diễn tính toán sai số mực nước tầng chứa nước qh của mô hình thời điểm tháng 4/2022 89

Hình 3.27 Đồ thị biểu diễn tính toán sai số mực nước tầng chứa nước qp của mô hình thời điểm tháng 4/2022 89

Hình 3.28 Đồ thị biểu diễn tính toán sai số mực nước tầng chứa nước qh của mô hình thời điểm tháng 7/2019 89

Hình 3.29 Sơ đồ đẳng mực nước tầng chứa nước qp thời điểm tháng 4/2022 89

Hình 3.30 Sơ đồ đẳng mực nước tầng chứa nước khe nứt thời điểm tháng 4/2022 89

Hình 3.31 Biểu đồ định lượng các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 1 .92Hình 3 32 Biểu đồ tỷ lệ đóng góp các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 1 93Hình 3.33 Biểu đồ định lượng các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 2 .98Hình 3 34 Biểu đồ tỷ lệ đóng góp các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 2 98Hình 3.35 Biểu đồ định lượng các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 3 103Hình 3 36 Biểu đồ tỷ lệ đóng góp các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 3 103

Hình 3.37 Biểu đồ định lượng các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 4 108Hình 3 38 Biểu đồ tỷ lệ đóng góp các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 4 108

Hình 3.39 Biểu đồ định lượng các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 5 113Hình 3 40 Biểu đồ tỷ lệ đóng góp các thành phần tham gia vào cân bằng nước vùng 5 113

Trang 13

Hình 3.41 Biểu đồ định lượng các thành phần tham gia vào cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy 117Hình 3.42 Biểu đồ tỷ lệ đóng góp của các thành phần tham gia vào cân bằng nước lưuvực sông Nhuệ - Đáy 117Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn tổng nhu cầu sử dụng nước tại các vùng cân bằng nước 124Hình 4.2 Đề xuất mô hình phân bổ nước (WD Vichete et.al, 2023) 131

Trang 14

MỞ ĐẦU1 Tính cấp thiết của luận án

Lưu vực sông Nhuệ - Đáy là một lưu vực sông tương đối lớn của nước ta, cóvai trò vô cùng quan trọng trong việc cung cấp nước cho ăn uống, sinh hoạt và pháttriển kinh tế - xã hội của Thủ đô Hà Nội và các tỉnh Hà Nam, Nam Định, Ninh Bìnhvà Hòa Bình Tuy nhiên, trong nhiều năm qua hoạt động khai thác nước mặt vànước dưới đất mãnh liệt ở khu vực Thủ đô Hà Nội và khu vực ven biển các tỉnhNam Định, Ninh Bình đã tác động không nhỏ đến tài nguyên nước trong lưu vực,mực nước dưới đất suy giảm làm phát sinh nhiều vấn đề môi trường như sụt lún nềnđất, xâm nhập mặn, gia tăng quá trình ô nhiễm nguồn nước.

Một trong những vấn đề đáng quan tâm trong việc phân bổ, khai thác sử dụnghợp lý tài nguyên nước trong lưu vực sông Nhuệ - Đáy là khai thác sử dụng nướcphải phù hợp với lượng nước chảy đến của mỗi vùng theo thời gian Để làm đượcđiều đó thì việc nghiên cứu cân bằng tổng hợp lượng nước chảy đến, lượng nướcchảy đi khỏi mỗi vùng khai thác trong lưu vực theo thời gian có ý nghĩa rất quantrọng Trong khi đó, các kết quả nghiên cứu trước đây về tài nguyên nước trongvùng nghiên cứu chủ yếu là các bài toán riêng lẻ đối với nước mặt hoặc nước dướiđất [18] [25] [35] Việc phân vùng cân bằng tài nguyên nước và tính toán cân bằngtổng hợp tài nguyên nước (bao gồm cả nước mặt và nước dưới đất) trong vùngnghiên cứu chưa được đề cập hoặc chưa đủ độ tin cậy để phục vụ bài toán phân bổ,khai thác sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên nước mặt và nước dưới đất phục vụphát triển kinh tế - xã hội Chính vì vậy việc thực hiện đề tài nghiên cứu của NCS“Nghiên cứu cân bằng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy” là cần thiếttrong bối cảnh Việt Nam đang phải chịu tác động của biến đổi khí hậu và nước biểndâng.

2 Mục tiêu của luận án

- Xác định được các thành phần tham gia vào cân bằng nước (bao gồm nướcmặt và nước dưới đất) lưu vực sông Nhuệ - Đáy.

- Đề xuất được giải pháp khai thác sử dụng hợp lý và bảo vệ nguồn nước trongcác vùng cân bằng nước đã phân chia trong lưu vực nghiên cứu.

Trang 15

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

- Đối tượng nghiên cứu: Nước mưa, nước mặt trong hệ thống sông, suối, hồchứa và nước dưới đất trong các tầng chứa nước lỗ hổng Holocen (qh), Pleistocen(qp) và các tầng chứa nước khe nứt trước Đệ tứ.

- Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy bao gồm các tỉnh, thànhphố: Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình và các quận, huyện phía Nam sông Hồng củathành phố Hà Nội và năm huyện của tỉnh Hòa Bình (gồm: Kỳ Sơn, Lương Sơn, KimBôi, Yên Thuỷ và Lạc Thuỷ).

4 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết các nội dung nghiên cứu ở trên, NCS đã sử dụng tổ hợp cácphương pháp nghiên cứu như sau:

- Phương pháp thu thập, kế thừa và tổng hợp tài liệu: Thu thập các tài liệu, kếtquả nghiên cứu trên thế giới và trong nước về phân vùng cân bằng nước, dự báomực nước dưới đất bằng phương pháp xác suất thống kê và phương pháp trí tuệnhân tạo, tính toán cân bằng tổng hợp tài nguyên nước mặt và nước dưới đất Từ đólựa chọn được phương pháp cũng như điều kiện áp dụng đối với vùng nghiên cứucủa luận án.

- Phương pháp khoan nghiên cứu địa chất thủy văn: Sử dụng phương phápkhoan thăm dò lấy mẫu xác định địa tầng địa chất thủy văn và khoan doa mở rộngđể chống ống kết cấu lỗ khoan phục vụ hút nước thí nghiệm xác định các thông sốđịa chất thủy văn Quá trình thực hiện đề tài luận án, tác giả đã kết hợp với Đề tàinghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Bộ: “Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễnxác định các thành phần trong cân bằng nước và lượng nước có thể phân bổ cho cácnhu cầu sử dụng nước trên lưu vực sông”, Mã số TNMT.2018.02.05 do tác giả làmchủ nhiệm [36] đã tiến hành khoan 4 lỗ khoan trong các tầng chứa nước qh và qp tạixã Phú Nam An, huyện Chương Mỹ, TP.Hà Nội.

- Phương pháp quan trắc động thái nước dưới đất: Sử dụng tài liệu quan trắcđộng thái nước dưới đất các lỗ khoan quan trắc thuộc mạng Quan trắc quốc gia tàinguyên nước và mạng quan trắc địa phương trong vùng nghiên cứu Kết hợp vớiviệc quan trắc động thái NDĐ tại 4 lỗ khoan trong năm 2021 của Đề tài do tác giảlàm chủ nhiệm.

Trang 16

- Phương pháp xác suất thống kê: Được sử dụng để đánh giá mối tương quangiữa cao độ mực nước dưới đất với cao độ địa hình và xác lập phương trình tuyếntính hồi quy bội giữa cao độ mực nước dưới đất với các yếu tố khí hậu từ đó đánhgiá các mối quan hệ đó.

- Phương pháp trí tuệ nhân tạo: Áp dụng phương pháp mạng nơ-ron nhân tạo(ANN) để huấn luyện, kiểm định, kiểm tra và dự báo cao độ mực nước dưới đấttrong các tầng chứa nước khe nứt lộ trên bề mặt.

- Phương pháp bản đồ và GIS: Được sử dụng để chồng chập các bản đồ thànhphần theo cơ sở nguyên tắc phân vùng cân bằng nước để phân chia lưu vực nghiêncứu thành các vùng cân bằng nước và thành lập các bản đồ, bản vẽ khác trong luậnán.

- Phương pháp mô hình số: Sử dụng mô hình SWAT-MODFLOW để xây dựngmô hình cân bằng tài nguyên nước mặt và nước dưới đất xác định định lượng cácthành phần tham gia vào cân bằng nước cho lưu vực sông Nhuệ - Đáy.

- Phương pháp chuyên gia: Tham vấn ý kiến của các chuyên gia, các nhà khoahọc trong lĩnh vực tài nguyên nước thông qua các cuộc hội thảo, sinh hoạt chuyênđề.

5 Những điểm mới của luận án

Luận án đã nghiên cứu phân chia được 05 vùng cân bằng nước theo nguyêntắc tiếp cận quản lý tổng hợp tài nguyên nước làm cơ sở để định lượng các thànhphần trong cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy.

Luận án đã nghiên cứu định lượng được các thành phần chính tham gia vàocân bằng nước, tương tác giữa nước mặt và nước dưới đất sử dụng mô hình tích hợpSWAT- MODFLOW cho từng vùng cân bằng nước và toàn lưu vực sông Nhuệ -Đáy.

6 Luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Trên cơ sở tiếp cận nguyên tắc, quan điểm quản lý tổng hợp hệ

thống nguồn nước; kết quả nghiên cứu đã phân chia lưu vực sông Nhuệ - Đáy thành5 vùng cân bằng nước và xác định được các thành phần chính trong từng vùng cânbằng nước.

Luận điểm 2: Đánh giá một cách định lượng các thành phần tham gia trong

từng vùng cân bằng và cho toàn lưu vực sông Nhuệ - Đáy Kết quả đã xác định cho

Trang 18

vực sông tổng lượng nước đến là 17,034 tỷ m3/năm, tổng lượng nước đi là 17,031 tỷm3/năm, trong đó lượng tương tác giữa nước dưới đất và nước mặt là 331,38 triệum3/năm và lượng nước mặt cung cấp cho nước dưới đất là 571,90 triệu m3/năm.

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

- Ý nghĩa khoa học: Luận án đã thiết lập được hệ phương pháp và bộ công cụmô hình toán tích hợp nước mặt, nước dưới đất SWAT-MODFLOW cho lưu vựcsông Nhuệ - Đáy phục vụ đắc lực cho công tác xây dựng kịch bản nguồn nước hàngnăm, phương án, kế hoạch khai thác sử dụng nước cho toàn lưu vực, cho các vùngcân bằng và 05 địa phương trong lưu vực bảo đảm điều hòa, phân phối tài nguyênnước một cách công bằng, hài hòa, hợp lý và bền vững về tài nguyên nước lưu vựcsông.

- Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án về cân bằng nướclưu vực sông Nhuệ - Đáy là tài liệu tham khảo tốt cho công tác đào tạo của trườngĐại học; tập huấn cho các địa phương trên phạm vi lưu vực sông Nhuệ - Đáy trongcông tác quản lý tài nguyên nước.

8 Cơ sở tài liệu của luận án

Luận án được hoàn thành trên cơ sở các tài liệu, số liệu của tác giả thu thập vànghiên cứu về lưu vực sông Nhuệ - Đáy trong thời gian thực hiện Đề tài nghiên cứukhoa học và công nghệ cấp Bộ: “Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn xác địnhcác thành phần trong cân bằng nước và lượng nước có thể phân bổ cho các nhu cầusử dụng nước trên lưu vực sông”, Mã số TNMT.2018.02.05 do tác giả làm chủnhiệm [36], hoàn thành năm 2021 Các số liệu, tài liệu chính bao gồm:

* Các tài liệu thu thập, kế thừa chính:

- Tài liệu thu thập, tổng hợp số liệu khí tượng, khí hậu của 12 trạm khí tượng và 41 trạm đo mưa.

- Tài liệu thu thập, tổng hợp số liệu thủy văn tại 12 trạm thời đoạn 1990-2022 (gồm 5 trạm đo cả mực nước và lưu lượng, 7 trạm đo mực nước).

- Dữ liệu mực nước triều tại 03 trạm Như Tân, Phú Lễ, Ba Lạt và 02 trạm đo mặn Phú Lễ, Như Tân.

- Tài liệu thu thập, tổng hợp địa tầng địa chất thủy văn của 752 lỗ khoan.

Trang 19

- Dữ liệu mực nước quan trắc hàng năm tại 121 công trình quan trắc tàinguyên nước quốc gia.

- Kết quả hút nước thí nghiệm xác định các thông số địa chất thủy văn của 361lỗ khoan nghiên cứu tầng chứa nước qp; 44 lỗ khoan trong tầng chứa nước qh và130 lỗ khoan trong các tầng chứa nước khe nứt trong vùng nghiên cứu.

* Các kết quả khảo sát, thí nghiệm hiện trường và trong phòng bổ sung [36]:- Thí nghiệm thấm bổ sung (Seepage) tại 8 vị trí ven sông Đáy phân bố đềutrên chiều dài dòng chính sông Đáy từ huyện Phúc Thọ (đập Vân Cốc) đến huyệnChương Mỹ (trạm Ba Thá).

- Kết quả khoan nghiên cứu ĐCTV tại 04 lỗ khoan tại khu vực xã Phú NamAn, huyện Chương Mỹ, TP.Hà Nội, trong đó: 02 lỗ khoan trong tầng chứa nước qh,;02 lỗ khoan trong tầng chứa nước qp.

- Kết quả quan trắc mực nước dưới đất tại 4 lỗ khoan từ tháng 9/2020 đến hếttháng 6/2021.

9 Cấu trúc của luận án

Cấu trúc của luận án, ngoài phần Mở đầu, Kết luận, gồm 4 chương nhưsau: Chương 1 Tổng quan nghiên cứu cân bằng nước lưu vực sông

Chương 2 Đặc điểm vùng nghiên cứu, phân vùng cân bằng nước và xác định các thành phần tham gia cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy

Chương 3 Đánh giá cân bằng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy

Chương 4 Đề xuất phương án khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy

Trang 20

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG

Cân bằng nước là một chủ đề nghiên cứu quan trọng, đặc biệt trong bối cảnhthiếu nước trầm trọng cho cả mục đích sinh hoạt và nông nghiệp nhiều lưu vực sôngcủa Việt Nam Một số nghiên cứu đã đưa ra các tiêu chí phân vùng cân bằng nướcvà xác định thành phần tham gia cân bằng nước Tuy nhiên, rất ít nỗ lực nghiên cứuđể thu thập và nghiên cứu tổng hợp tất cả các yếu tố tự nhiên, con người để đưa racác kết quả phân vùng tính toán được chính xác, phù hợp với thực tế hơn Phần nàyxem xét những thiếu sót của các nghiên cứu trước đây về phân vùng và tính toán cânbằng nước ở Việt Nam đặc biệt là lưu vực sông Nhuệ Đáy Ngoài ra, một đánh giávề các mô hình tính toán cân bằng nước được áp dụng trong phạm vi các lưu vựcsông trong và ngoài nước được thực hiện để lựa chọn được các mô hình phù hợp vớiđiều kiện, đặc điểm tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy.

1.1 Khái quát về cân bằng nước

Cân bằng nước là công cụ quan trọng nhằm phân bổ nước, dự báo nhu cầu vàquản lý cấp độ lưu vực sông, thường được áp dụng ở quy mô lưu vực hoặc tiểu lưuvực [80] Ngoài ra, còn xác định được lượng thừa, thiếu nước cũng như đánh giáđược khả năng điều tiết nước của lưu vực [43, 102] Ngoài ra, cân bằng nước đóngmột vai trò quan trọng trong việc định lượng và tính toán nguồn nước sẵn có cũngnhư dự đoán nhu cầu trong tương lai [78] Cân bằng nước là một công cụ quantrọng để hiểu được việc tính toán lượng nước trong một hệ thống nước, lưu vựchoặc lưu vực nước cụ thể với khung thời gian cụ thể [80] Nói cách khác, cân bằngnước thể hiện nghiên cứu về quản lý cung và cầu nước, phụ thuộc vào quy mô vàtốc độ khai thác của dân số, nông nghiệp, công nghiệp và những người sử dụngnước nội bộ khác, và phụ thuộc rất nhiều vào sự biến động theo mùa và điều kiệnkhí hậu ở từng khu vực [99].

Cân bằng nước bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố có thể tác động đến việc sửdụng nước cho các lĩnh vực phát triển khác nhau Ví dụ, thay đổi sử dụng đất quymô lớn có thể ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy của sông và sự thay đổi độ ẩm đấttheo thời gian [75] Phương pháp cân bằng nước này hỗ trợ định lượng ý nghĩa vàmối quan hệ của lượng mưa/lượng mưa, lượng bốc hơi, thoát hơi nước, dòng chảybề mặt và nước dưới

Trang 21

đất trong lưu vực [78].

Trong nghiên cứu cân bằng nước trên thế giới hiện nay có đưa ra khái niệm về“Water Budget” (ngân sách nước), trong đó không những nghiên cứu về các thànhphần cân bằng nước mà có tính đến ý nghĩa về kinh tế - xã hội trong cân bằng nước.Dưới đây trình bày 1 tài liệu về “Water Budget” cụ thể như sau: Tổng ngân sáchnước là một khái niệm được đưa ra trong Bộ luật Nước California (Mục 10721):“Sự tính toán tổng lượng nước dưới đất và nước mặt vào và ra khỏi lưu vực, baogồm cả những thay đổi về lượng nước được lưu trữ” Tổng ngân sách nước là mộtbản tính toán toàn diện về tất cả các dòng vào và ra từ ba hệ thống có liên quan vàtương tác lẫn nhau trong một “vùng ngân sách nước” [62] gồm (1) Hệ thống đất đai;(2) Hệ thống nước mặt; (3) Hệ thống nước dưới đất Bên cạnh đó để tính toán cânbằng nước, trước tiên cần xác định ranh giới không gian của hệ thống thủy văn (gọilà thể tích kiểm soát) và khoảng thời gian tham chiếu [91].

1.2 Tổng quan nghiên cứu phân vùng cân bằng nước

1.2.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Lưu vực sông là phần diện tích bề mặt đất trong tự nhiên mà mọi lượng nướcmưa khi rơi xuống sẽ tập trung lại và thoát vào một lối thoát thông thường hìnhthành sông, nhánh sông rồi đổ ra biển [109] Còn đối với lưu vực nước dưới đấtđược định nghĩa là một khu vực được bao phủ bởi các vật liệu thấm có khả năngcung cấp nguồn nước dưới đất đáng kể cho giếng hoặc lưu trữ một lượng nước đángkể [113] Lưu vực nước dưới đất có ba chiều và bao gồm cả phạm vi bề mặt và toànbộ vật liệu tạo ra nước ngọt dưới bề mặt Đường phân chia nước dưới đất thườngtrùng với đường phân chia nước mặt và đường phân chia đó cũng thường khớp vớiđường thoát nước mặt trong các tầng chứa nước dạng hạt và không giới hạn, trongkhi các khu vực nạp lại của tầng ngậm nước karstic và tầng chứa nước hạn chế hầuhết không trùng với các khu vực thoát nước bề mặt [121], [61], [93] Các hệ thốngKarst thường được đặc trưng bởi sự kết nối đáng kể giữa nước dưới đất và nước mặtthông qua các quá trình như tái tạo tầng chứa nước bằng cách mất các dòng suối,các mối nối đứt gãy và ống dẫn giữa nước mặt và nước dưới đất, cũng như sự đónggóp của dòng suối vào nước mặt [76], [92].

Trang 22

Trong các kế hoạch quản lý lưu vực sông, đặc điểm thủy văn sông ngòi tronglưu vực là cần thiết, có thể thu được thông qua phân tích đặc điểm hình thái lưu vực[101] Trong một lưu vực, mạng lưới sông ngòi phải được gắn kết với địa hình, địamạo, cấu trúc, thành tạo địa chất của lưu vực là cần thiết cho kế hoạch quản lý vàthực hiện các biện pháp bảo vệ và phát triển tài nguyên nước [106] Đối với các vấnđề thủy văn khác nhau của lưu vực liên quốc gia khi không có các trạm đo đạc thủyvăn, các mô hình toán được phát triển sử dụng các dữ liệu về địa hình địa mạo củalưu vực sẽ được ứng dụng Theo Esper Angillieri (2008) [57].

Đường chia nước trên mặt (hay còn gọi là đường phân nước mặt) là đường nốicác điểm có cùng cao độ địa hình, chính là yếu tố hình thái để phân chia các lưu vựcsông (Havrelock 2011) [64] Tuy nhiên trong phạm vi một lưu vực sông bao gồmnhiều hệ sinh thái khác nhau lại được hình thành bởi những đặc trưng về khí hậu,thảm thực vật… [84] Bởi vậy, việc phân tích các yếu tố hình thái, các đặc trưng vềkhí hậu, thủy văn, thảm thực vật trong một lưu vực sông đóng vai trò then chốt đểphân vùng thủy văn hoặc phân vùng cân bằng nước, quy hoạch tài nguyên nước vàquy hoạch phát triển lưu vực, vùng [85] Từ đầu những năm 1990, các thông số hìnhthái, thủy văn, khí hậu của nhiều lưu vực khác nhau đã được nhiều nhà khoa họcnghiên cứu bằng cách sử dụng các phương pháp truyền thống [68] Những nghiêncứu này thường sẽ cung cấp một bản đồ về dạng cảnh quan và các điều kiện khí hậuthủy văn đối với đặc điểm riêng của từng lưu vực (lưu trữ, thoát nước), đồng thờigiải thích rõ ràng về sự không đồng nhất và tính biến đổi ở nhiều quy mô thời gianvà không gian [118] Ở Trung Quốc, phân vùng thủy văn được xác định ở dạngphân vùng khí hậu thủy văn Dưới cấp đới (cấp I) sẽ chia lãnh thổ thành 3 cấp tiếptheo: (1) Cấp I - đới thủy văn; (2) Cấp II - địa khu thủy văn, lấy độ sâu dòng chảythường xuyên làm chỉ tiêu phân chia vùng; (3) Cấp III - Khu vực thủy văn, có thểlấy phân phối dòng chảy trong năm (các địa khu phía Nam) hoặc đặc trưng địa hìnhtương đối rõ nét (các địa khu phía Bắc) để phân chia vùng; (4) Cấp IV: Lấy điềukiện thủy lợi làm cơ sở để phân chia, cho đến nay cũng vẫn chưa có sơ đồ thật hoànchỉnh.

Đường phân chia nước dưới đất thường trùng với đường phân chia nước mặt và

Trang 23

đường phân chia đó cũng thường trùng với đường thoát nước mặt ở các tầng chứanước lỗ hổng và không áp, trong khi các khu vực bổ cập của các tầng chứa nước khenứt và có áp hầu như không trùng với các khu vực thoát nước bề mặt [121] Đối vớiphạm vi của một lưc vực sông có thể phân bố nhiều loại tầng chứa nước (khe nứt, lỗhổng, có áp, không áp) sẽ tạo nên các vùng nước dưới đất với đặc điểm nước dướiđất và chế độ dòng chảy riêng biệt Nghiên cứu của Horton (1932) [68] đã nhấnmạnh việc xác định các tiểu lưu vực/vùng trong một lưu vực sông có liên quan chặtchẽ đến bản chất thủy văn của nó bao gồm các yếu tố: (1) yếu tố hình thái; (2) yếutố đất; (3) Các yếu tố địa chất; (4) Yếu tố thực vật; (5) Các yếu tố khí hậu - thủyvăn Như vậy bên cạnh những yếu tố về khí hậu, thủy văn thì nhóm các yếu tố vềđịa chất, địa chất thủy văn cũng được xem xét tới như là những yếu tố trạng thái[83] Trong khi khí hậu là yếu tố chủ yếu cung cấp năng lượng và nước cho tất cảcác hệ sinh thái; cấu trúc địa chất cung cấp vật liệu mà từ đó các tác động của khíhậu tạo nên các loại địa hình để thiết lập các hệ sinh thái Zaporozec (1972) [122]cũng nhấn mạnh cơ sở để phân vùng cân bằng nước đó phải là một đơn vị địa chấtthuỷ văn được phân biệt và phân định trên cơ sở các đặc điểm thạch học, địa tầng,cấu trúc và địa chất thuỷ văn Bản đồ đới địa chất thủy văn, bản đồ đới chưa bãohòa, bản đồ đới tái tạo và bản đồ đới ảnh hưởng được kết hợp để phân vùng chế độ/động thái nước dưới đất khác nhau [123].

Từ những thập niên cuối thế kỉ 20 đến nay, tiếp cận mô hình không gian tíchhợp đã được áp dụng ứng dụng công nghệ không gian địa lý (GT) đang nổi lênnhanh chóng như ảnh viễn thám, hệ thống thông tin địa lý (GIS) và hệ thống định vịtoàn cầu (GPS) đã được sử dụng như một công cụ hiệu quả để khắc phục hầu hếtcác vấn đề trong thực hiện các công việc phân vùng thủy văn, hệ sinh thái, ĐCTVvà quản lý TNN bằng phương pháp xử lý dữ liệu truyền thống [39], [103] Hệ thốngthông tin địa lý trở thành một công cụ rất thích hợp cho loại nghiên cứu này, bởi vìkhi thu được các đặc điểm hình thái học của lưu vực, có thể tương quan chúng vớimột số yếu tố kiểm soát, bằng cách chuẩn bị và xếp chồng các bản đồ chuyên đề[46]; hay có thể được sử dụng để đánh giá các khía cạnh tuyến tính, diện tích và địahình của các tham số hình thái học; hoặc phân tích thông số địa hình khác nhau nhưbản chất của đá nền, khả năng thấm,

Trang 24

dòng chảy [37] Cùng với ứng dụng mạnh mẽ của GIS, không chỉ các đặc điểm củamôi trường tự nhiên, mà còn bao gồm các hoạt động của con người, các dịch vụ hệsinh thái nước và các yếu tố khác được xem xét tới và đưa vào để xác định phânvùng [48] Như vậy, hầu hết các nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra việc phân vùngcân bằng nước, hay các đánh giá tài nguyên nước chủ yếu dựa vào các yếu tố hìnhthái, địa hình, thủy văn và địa chất thủy văn Các thông số hình thái thủy văn, khíhậu, địa chất thủy văn của các lưu vực khác nhau đã được nhiều nhà khoa họcnghiên cứu bằng cách sử dụng các phương pháp truyền thống [68], [108] Từ nhữngthập niên cuối thế kỉ 20 đến nay, hệ thống thông tin địa lý (GIS) ứng dụng mạnh mẽnhư một công cụ hiệu quả để đưa thêm thông tin của các yếu tố sử dụng nước, chứcnăng sử dụng của các nguồn nước trong thực hiện các công việc phân vùng quyhoạch và quản lý TNN [39], [103].

1.2.2 Các nghiên cứu ở trong nước

Lưu vực sông là phần bề mặt Trái Đất bao gồm cả tầng đất đá, nuôi dưỡngnước cho mỗi hệ thống sông hoặc một con sông riêng biệt gọi là lưu vực của hệthống sông hoặc là lưu vực sông Ranh giới phân định lưu vực sông được gọi làđường phân lưu hay đường chia nước Lưu vực của mỗi con sông bao gồm cả bồnthu nước mặt và nước dưới đất.

Hình 1.1 Bồn thu nước mặt

Bồn thu nước trên mặt là phần bề mặt trái đất từ đó nước gia nhập vào hệthống sông hoặc một con sông riêng biệt nào đó Bồn thu nước dưới đất được tạonên bởi tầng đất đá, từ đó nước chảy vào lưới sông.

Trang 25

Do đó có hai loại đường chia nước (đường phân lưu) là đường chia nước mặtvà dường chia nước dưới đất Đường chia nước mặt là đường nối tất cả các điểmcao nhất của lưu vực và ngăn cách nó với lưu vực bên cạnh Nước mưa rơi xuống ởhai phần của đường chia nước trên bề mặt sẽ chảy về hai cong sông khác nhau Vớimột lưu vực sông, đường chia nước là một đường khép kín tại một vị trí nhất địnhtrên sông, là cửa ra của lưu vực (Hình 1.1).

Đường chia nước dưới đất có thể được hiểu là đường nối các điểm cao nhấtcủa mực nước dưới đất có đóng góp vào quá trình hình thành dòng chảy trong sông.Thông thường khó xác định được đường chia nước dưới đất nên giả thiết đườngchia nước mặt và đường chia NDĐ là trùng nhau và khi đó lưu vực gọi là lưu vựckín Trong tính toán và phân tích dòng chảy thường người ta chỉ lấy bồn thu nướctrên mặt làm lưu vực và do đó không đặt ra sự khác biệt giữa danh từ lưu vực sôngvà bồn thu nước sông.

Ngoài ra, từ sau ngày miền Bắc được giải phóng, các nghiên cứu về phân vùngcân bằng TNN cũng trải qua nhiều thay đổi, với các quan điểm phân vùng khácnhau Trước đây việc nghiên cứu khí tượng, nước mặt - thủy văn và NDĐ là cácnghiên cứu rời rạc, vì vậy việc phân vùng tính toán cân bằng nước phụ thuộc vàomục tiêu riêng của các nghiên cứu, dự án mà thiếu tính tổng hợp mang tính “tàinguyên nước”.

Tổng cục Khí tượng Thủy văn là một trong những đơn vị đầu tiên ở Việt Namđưa ra các khái niệm nguyên tắc, cơ sở về phân vùng thủy văn Ở đó, phân vùngthuỷ văn được căn cứ vào quy luật địa đới và phi địa đới của sự phân bố nước trongtự nhiên, căn cứ vào tính tương tự và không tương tự từ đó tìm ra quá trình hìnhthành các đặc trưng thuỷ văn tiến tới nhận thức đầy đủ các quy luật thuỷ văn Việcphân vùng thủy văn được cho là phụ thuộc vào các yếu tố như: (1) Vùng sông ngòikhông ảnh hưởng thuỷ triều; (2) Vùng sông ngòi ảnh hưởng thuỷ triều Sau khi tínhtoán lũ, nghiên cứu quan hệ mưa rào dòng chảy, Tổng cục Khí tượng Thuỷ văn đãchia các miền ra nhiều vùng khác nhau Tiêu chuẩn phân vùng là: (1) Đồng nhất vềkhí tượng khí hậu; (2) Đồng nhất về điều kiện mặt đệm.

Từ những năm cuối của thập kỉ 80 thế kỉ trước, tính phân vùng của hiện tượngthủy văn là tính ổn định tương đồng giữa không gian và thời gian theo hệ thống các

Trang 26

cấp của chúng, từ đó đưa ra 5 cấp phân vùng thủy văn: Cấp I - Đới thủy văn: Là đơnvị không gian bậc cao được đồng nhất với đới khí hậu có đơn vị thời gian tươngđồng là chu kỳ lớn khí hậu; Cấp II - Miền thủy văn: Là các đơn vị không gian nằmtrong đới thủy văn và tương đồng với đơn vị thời gian là thời kỳ dao động lớn củađịa hình (thời kỳ biển tiến, biển thoái), tạo nên sự phân cách lớn về chế độ dòngchảy; Cấp III - Vùng thủy văn: Là đơn vị không gian tương đồng với đơn vị thờigian là chu kỳ thủy văn (một chu kỳ thủy văn có độ dài trung bình khoảng 11 năm);Cấp IV - Địa phương thủy văn: Là đơn vị cấu trúc cơ bản của không gian thủy văntương ứng với đơn vị cấu trúc cơ bản của thời gian thủy văn là năm thủy văn Nămthủy văn được đặc trưng bằng các mùa thủy văn (mùa lũ, mùa kiệt); Cấp V - Dải(hay ô) thủy văn: Là đơn vị phân vùng trong địa phương thủy văn, là đơn vị khônggian tương đồng với đơn vị thời gian là tháng thủy văn Dải (hay ô) thủy văn thuộcmiền đồi núi được phân chia theo mức độ đồng nhất tháng và có dòng chảy lớn nhấtvà nhỏ nhất Cũng trong khoảng thời gian này, PGS.TS Trần Thanh Xuân (1985) đãđưa ra những phân tích, đánh giá dựa điều kiện tự nhiên, đặc điểm thủy văn và mứcđộ điều tra nghiên cứu thủy văn, mà đưa ra 3 cấp phân vị để phân vùng thủy văncho lãnh thổ Việt Nam, có thể tính theo sơ đồ chung bắt đầu từ cấp II: (1) Cấp I -không xét; (2) Cấp II - miền thủy văn, được phân chia dựa vào chỉ tiêu chính là cácdạng hoàn lưu chính gây mưa lớn và thời kỳ bắt đầu mùa mưa, mùa lũ; (3) Cấp III -khu thủy văn, được chia ra từ cấp miền với chỉ tiêu chính là hệ số tương quan đôidòng chảy năm của các sông trong vùng phải lớn hơn hoặc bằng 0,7;

(4) Cấp IV - vùng thủy văn, ở khu vực đồi núi cấp vùng được phân chia dựa vào chỉtiêu đồng nhất tương đối về hệ số dòng chảy năm Tùy thuộc vào mức độ phân hóacủa hệ số dòng chảy trong từng khu thủy văn để chia ra một số vùng nhất định Ởkhu vực đồng bằng lấy chế độ triều và biên độ triều làm chỉ tiêu chính để phân chia.

Đài khí tượng thủy văn khu vực Trung Trung Bộ, trong khuôn khổ đề tài khoahọc công nghệ cấp tỉnh (2012) [6] đã đề xuất cơ sở phân loại; nguyên tắc và phươngpháp phân vùng thủy văn làm cơ sở phân vùng thủy văn Phân vùng thủy văn đãđược chia làm hai dạng gồm: (1) phân vùng thuỷ văn tổng hợp có tính chất là nềntảng chung tạo nên một cơ sở chung cho các ứng dụng riêng biệt; (2) phân vùngthuỷ văn chuyên

Trang 27

dụng là căn cứ trên một mục đích cụ thể nhằm đáp ứng những yêu cầu đặt ra Phânloại thủy văn chuyên dụng được chia ra thành: Phân loại thuỷ văn; phân vùng thuỷvăn; phân vùng địa lý thuỷ văn; phân vùng thuỷ văn theo vùng kinh tế Cụ thể là:

- Phân loại thuỷ văn: dựa trên quan điểm chỉ chú ý đến một điểm tương đồngnào đó của một yếu tố Ví dụ như phân loại sông ngòi có thể phân loại theo nguồncung cấp hoặc theo dạng phân phối dòng chảy.

- Phân vùng thuỷ văn: chủ yếu quan tâm đến các yếu tố cân bằng nước như hệsố dòng chảy (phân chia các đới thuỷ văn), lớp dòng chảy, môđun dòng chảy (phânchia khu thuỷ văn), phân phối mùa, phân phối tháng (phân chia tiểu khu thuỷ văn).

- Phân vùng địa lý thuỷ văn: dựa vào các đặc trưng về địa lý thuỷ văn, các đặctrung về hình thái lưu vực để phân chia thành các lưu vực lớn, vừa và nhỏ.

- Phân vùng thuỷ văn theo vùng kinh tế: dựa theo phương án phân vùng kinhtế của một lãnh thổ với quy mô khác nhau được hoạnh định sẵn để đánh giá về điềukiện và tài nguyên nước.

Từ sau những năm 2010, khi các quy định, hướng dẫn về quản lý lưu vực sông(Nghị định số 120/2008/NĐ-CP về quản lý lưu vực sông), đặc biệt là Luật tàinguyên nước năm 2012 đến Luật Tài nguyên nước năm 2023 quy định rõ “Phânvùng chức năng nguồn nước“ là một trong những nội dung cần phải thực hiện củaquy hoạch tài nguyên nước lưu vực sông liên tỉnh, nguồn nước liên tỉnh và quyhoạch tài nguyên nước của tỉnh, thành phố trực thuộc trung ương Trong quy địnhcủa Luật Quy hoạch năm 2017 cũng yêu cầu cần phải đề xuất phương án phân vùngmới theo hướng tiếp cận tích hợp, dựa trên quan điểm quản lý nguồn nước, tiếp cậntheo từng nguồn nước, lấy nguồn nước, ranh giới lưu vực sông làm đơn vị quản lývà có xét đến ranh giới hành chính, đồng thời có tính kế thừa các quan điểm phânvùng hiện có trong các quy hoạch chuyên ngành có liên quan.

Các dự án Quy hoạch tổng hợp lưu vực sông [12, 13, 14, 15] được thực hiệntrong những năm gần đây cũng đã đưa ra cơ sở phân vùng tài nguyên nước dựa trên6 nhóm yếu tố: (i) điều kiện tự nhiên, địa mạo; (ii) đặc điểm nguồn nước; (iii) chấtlượng môi trường nước; (iv) định hướng phát triển kinh tế - xã hội; (v) quy hoạchsử dụng đất;

Trang 28

(vi) quy hoạch phát triển hạ tầng hệ thống quản lý, khai thác và sử dụng nước củacác ngành như giao thông, thủy lợi, xây dựng Bên cạnh đó việc phân vùng tàinguyên nước cần dựa trên 4 nguyên tắc sau: (i) dựa vào đặc điểm và tính chất củahệ thống nước; (ii) dựa vào đặc điểm và ranh giới tự nhiên và hiện trạng của hệthống truyền dẫn, phân bổ và khai thác nước; (iii) xem xét đến ranh giới hành chínhgiữa các địa phương để tạo điều kiện thuận lợi trong quản lý và vận hành hệ thống;(iv) tôn trọng, kế thừa và phát huy tính tích cực của hệ thống phân vùng hiện có Cụthể hơn trong quy hoạch tổng hợp lưu vực sông Cửu Long [12] việc phân vùng sẽđược thực hiện ở 3 cấp là “vùng”, “tiểu vùng” và “phân khu”, cụ thể:

- Ranh giới cấp “vùng” được xác định trên cơ sở mối quan hệ tương tác giữađất và nước, được thực hiện dựa trên: đặc điểm và tính chất của các nguồn nướcdưới sự chi phối của hệ thống sông chính có xét đến sử dụng đất LVSCL; đặc trưngcơ bản của nguồn nước là nguồn cấp và hướng tiêu; hệ thống quản lý, khai thác vàsử dụng tài nguyên nước trên quy mô vùng; nguyên nhân, mức độ và giải pháp khắcphục tác hại do nước gây ra ở quy mô vùng; có xét quan điểm “vùng” trong quản lýhành chính để thuận lợi trong thực hiện và điều hành “liên kết vùng”;

- Ranh giới cấp “tiểu vùng” được xác định trên cơ sở: phân tích thủy văn -sinhthái; đặc điểm canh tác nông nghiệp với sự hình thành các tiểu vùng sinh thái thuậnlợi cho định hướng phát triển nông nghiệp theo định hướng của Nghị quyết số 120/NQ- CP ngày 17/11/2017;

- Ranh giới cấp “phân khu” được xác định trên nguyên tắc: đặc điểm và tínhchất của các nguồn nước chịu sự chi phối của hệ thống kênh/rạch chính trong cáckhu thủy lợi; việc quản lý, khai thác và sử dụng tài nguyên nước trên quy mô phânkhu; xét các đặc trưng số lượng, chất lượng nước, mức độ tác động từ nguồn cấp vànăng lực tiêu thoát nước.

Việc phân vùng địa chất thủy văn nhằm đáp ứng nhu cầu đánh giá tài nguyênnước dưới đất cụ thể cho từng vùng riêng biệt, phục vụ cho quy hoạch khai thác sửdụng hợp lý nguồn tài nguyên này Do đối tượng của ĐCTV là nước dưới đất nênphân vùng ĐCTV là sự hệ thống hóa quy luật phân bố không gian và sự hình thànhcủa nước

Trang 29

dưới đất [7] Cơ sở phân vùng ĐCTV phải là những đặc điểm tự nhiên của vùngnghiên cứu, những đặc điểm này phải được xem xét từ góc độ phát triển lịch sử vàsự tác động đến môi trường tồn tại nước dưới đất Những nguyên tắc phân vùng dựatrên lịch sử tự nhiên của nước dưới đất được xem là nguyên tắc quan trọng bậc nhấtcủa phân vùng ĐCTV Những yếu tố tự nhiên cần được xem xét đến khi phân vùngĐCTV là:

1) Đặc điểm khí hậu - khí tượng, đặc điểm địa hình, đặc điểm thủy văn;2) Cấu trúc địa chất (thạch học, cấu tạo);

3) Đặc điểm địa chất thuỷ văn (diện phân bố, miền cung cấp, miền thoát, lưulượng lỗ khoan, hệ số thấm, độ tổng khoáng hóa và thành phẩn ion của nước dướiđất…)

Tùy vào mục đích ý nghĩa của việc phân vùng cần phân biệt phân vùng ĐCTVchung và phân vùng ĐCTV chuyên môn [7, 9] Phân vùng ĐCTV chung được tiếnhành với mục đích phân lãnh thổ ra làm các cấu trúc ĐCTV tự nhiên theo tổ hợp cácchỉ tiêu về sự phân bố và hình thành nước dưới đất mà không đưa ra một sự giảiquyết cụ thể nào Trong khi đó phân vùng ĐCTV chuyên môn được tiến hành khigiải quyết những vấn đề cụ thể, hẹp, thường là để sử dụng nước dưới đất cho nhữngmục đích khác nhau (cấp nước, tháo nước, ) Thuộc về phân vùng chuyên môn cònbao gồm phân vùng lãnh thổ theo tính chất, thành phần hoặc những đặc trưng vềlượng nước, như phân vùng nước nhạt, nước công nghiệp hay nước nóng, cũng nhưphân vùng thủy địa hóa, thủy động lực, Phân vùng địa chất thủy văn cũng đã xemxét tương đối đa

dạng trên cơ sở các yếu tố: về dạng tồn tại, về quy mô, cấu trúc các của các thể địachất chứa nước, về chất lượng nước (mặn, nhạt), về đặc điểm cung cấp, dòng chảy;thành phần thạch học của đất đá chứa nước [11].

Có thể thấy rằng, việc phân vùng cũng dựa trên cơ sở từ các nghiên cứu vềphân vùng thủy văn và địa chất thủy văn trước đây Tuy nhiên việc đánh giá dữ liệu,phương pháp để chồng lớp phân vùng vẫn chưa được nghiên cứu triệt để, để có cơsở ứng dụng cho việc phân vùng tính toán cân bằng tài nguyên nước cho các lưuvực sông khác.

1.3 Tổng quan nghiên cứu tính toán cân bằng nước lưu vực sông

Tính toán cân bằng nước là một nhiệm vụ quan trọng để đánh giá hiện trạng và

Trang 30

xu hướng về khả năng cung cấp tài nguyên nước trong một khu vực trong mộtkhoảng thời gian cụ thể Hơn nữa, tính toán cân bằng nước củng cố quá trình raquyết định quản lý nước, bằng cách đánh giá và cải thiện tính hợp lệ của tầm nhìn,kịch bản và chiến lược Tính toán cân bằng nước được định nghĩa là tính toán địnhlượng cho đầu vào, đầu ra và những thay đổi về lượng nước trong các thành phầnkhác nhau (ví dụ: hồ chứa, sông, tầng chứa nước) của chu trình thủy văn, trong mộtchế độ thủy văn cụ thể và trong một đơn vị thời gian xác định (ví dụ: trong mộttháng hoặc một năm), xảy ra một cách tự nhiên và do hoạt động khai thác và trả lạinước do con người gây ra.

Trong khi đó, cân bằng tài nguyên nước tích hợp thông tin vật lý (thủy văn) vàkinh tế liên quan đến tiêu thụ và sử dụng nước, để đạt được quản lý nước công bằngvà minh bạch cho tất cả những người sử dụng nước và cân bằng nước bền vững giữanguồn cung, cầu và nguồn nước.

1.3.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Phân tích cân bằng nước là cơ sở cho việc quản lý và hoạch định chính sáchtrong một số vấn đề quan trọng liên quan đến tài nguyên nước như thiết kế hệ thốngcấp nước, ước tính lũ lụt, phân bổ và sử dụng nước, quản lý và xử lý nước thải ở cácđô thị, hệ sinh thái thủy sinh, quản lý và kinh doanh nước [44] Cân bằng nước, ápdụng cho một đơn vị không gian cụ thể là ứng dụng của định luật bảo toàn khốilượng cho rằng khối lượng không thể được tạo ra cũng như không bị phá hủy [45].Theo Kumar, Kanga và Sudhanshu (2018) [78], khái niệm và phương trình cân bằngnước khoa học tổng quát đã được sử dụng và áp dụng rộng rãi trong các công trìnhhọc thuật đã xuất bản về quản lý tài nguyên nước Phương trình cơ bản là tổng khốilượng nước chảy vào hệ thống lưu vực trừ đi tổng khối lượng nước chảy ra khỏi hệthống bằng với thay đổi lượng trữ của hệ thống Trong giáo trình thủy văn, Ladson(2008) [80] trình bày phương trình cân bằng nước cụ thể như sau:

Khối lượng nước vào – Khối lượng nước chảy ra = Thay đổi lượng lưu trữTác giả giải thích thêm rằng dòng nước chảy vào bao gồm lượng mưa, dòngnước chảy vào bề mặt (một số dòng chảy từ các lưu vực đầu nguồn khác vào hệthống) và dòng chảy vào dưới bề mặt hoặc nước dưới đất (nơi lưu vực dưới bề mặtcó thể không

Trang 31

trùng với lưu vực sông bề mặt) Hơn nữa, tổng khối lượng nước chảy ra sẽ tính cảlượng bốc hơi, sự thoát hơi nước, dòng chảy dưới bề mặt hoặc nước dưới đất, dòngchảy và chuyển nước từ hệ thống lưu vực sông Ngoài ra, việc áp dụng phương phápcân bằng nước cần xem xét đến ranh giới lưu vực hoặc hệ thống nước; người sửdụng nước như cấp nước, tưới tiêu, công nghiệp; và trữ nước ở các địa điểm khácnhau, chẳng hạn như hồ, bể chứa nước mưa, hồ chứa, đập trang trại và thảm thựcvật [80] Các chiến lược thực tế để tính toán các thành phần động của phương trìnhcân bằng nước phụ thuộc vào mục tiêu, độ chính xác và khoảng thời gian đánh giácác phương trình [44] Phương trình cân bằng nước có thể được xác định dựa vàohai ranh giới và thang đo riêng biệt: ranh giới không gian cho khu vực (mốc nướcbão không gian) và ranh giới thời gian cho giai đoạn cân bằng nước (thang thờigian) Việc chọn các thang đo không gian hoặc thời gian khác nhau trong một khuvực cụ thể sẽ thay đổi độ chính xác, các yếu tố phương trình và phương pháp tùytheo độ tin cậy của dữ liệu, điều kiện tài chính và cơ sở vật chất Các phân loạichính của phương pháp tính toán cân bằng nước đã được thực hiện để xem xét sựtương tác của nước dưới đất với nước mặt và việc sử dụng nước trong hệ thống khíquyển-nước-đất [44].

Cùng với sự phát triển của các mô hình toán trong lĩnh vực tài nguyên nước,việc tính toán cân bằng nước sử dụng mô hình toán trên cơ sở phương trình cânbằng nước được áp dụng một cách rộng rãi ở nhiều khu vực khác nhau Các môhình cân bằng nước đã được phát triển ở nhiều quy mô thời gian khác nhau (ví dụ:hàng giờ, hàng ngày, hàng tháng và hàng năm) và với mức độ phức tạp khác nhau.Mô hình cân bằng nước hàng tháng được phát triển lần đầu tiên vào những năm1940 bởi Thornthwaite (1948) [110] và sau đó được Thornthwaite và Mather sửa đổi(1955, 1957) [111, 112] Những mô hình này kể từ đó đã được áp dụng, sửa đổi vàáp dụng cho nhiều vấn đề thủy văn [40, 38].

Một số mô hình cân bằng nước và thuật toán ước tính tham số đã được xemxét, từ các mô hình khái niệm tương đối phức tạp với 10 đến 15 tham số (ví dụ:Dhote và cộng sự, 2021; Corbari và cộng sự, 2022) [54, 50] đến các mô hình rất đơngiản với các mô hình từ 2 đến 5 tham số (ví dụ: Arnell, 1999; Jayatilaka và cộng sự,2003; Liu

Trang 32

và cộng sự, 2021 [38, 73, 82] Điều cần thiết là người sử dụng mô hình phải làmquen với độ nhạy, điểm mạnh, điểm yếu của mô hình Vì vậy, cần phải kiểm kê cácmô hình đó và xem xét chúng Gần đây, nhiều mô hình với các giả định và thông sốảnh hưởng khác nhau đã được giới thiệu để tính toán cân bằng nước như: WASIM(Singh et al., 1999) [100]; WAVES (Shao, M A và cộng sự, 2002) [98]; WetSpass(Aish, A M, 2014), Tilahun và Merkel, 2009) [37, 114]; FIPR (FHM) (Said,Stevens et al., 2005)

[90]; SWAT (Haji Shaaban Haji, March, 2010; Bhesh Raj Thapa et Al, 2016) [97,42], và những mô hình này chuyên dùng để lập mô hình cân bằng nước trong trangtrại Mô-đun NAM của MIKE-11 được áp dụng để nghiên cứu tầm quan trọng vềmặt thống kê của các thông số khác nhau trong phương trình cân bằng nước (Cellerivà cộng sự, 2000) [47] Có hàng trăm mô hình dựa trên mô hình cân bằng nước lưuvực rõ ràng và nhiều mô hình mới vẫn đang được bổ sung.

Mặc dù cân bằng nước dưới đất có thể được thực hiện riêng biệt, nhưng lýtưởng nhất là chúng nên được thực hiện theo cách tích hợp, tức là cho toàn bộ chutrình thủy văn tự nhiên Để kết hợp tốt hơn các khía cạnh nước dưới đất, cân bằngnước phải được đi kèm với các mô hình nước mặt-nước dưới đất dựa trên vật lý,động, số, phân tán (được xác thực bằng dữ liệu cân bằng nước đo được) Những môhình này nên được áp dụng và sử dụng để tính toán cân bằng nước liên quan đến lưuvực, tầng chứa nước dưới đất và tác động từ việc khai thác nước dưới đất đối với hệsinh thái hoặc dòng chảy sinh thái trên sông cùng các yếu tố khác Loại mô hình nàycó thể được sử dụng để xác định những thay đổi động của cân bằng nước và nhữngthay đổi phức tạp trong tương tác giữa khai thác, mực nước dưới đất, dòng chảytiêu, lưu lượng nước dưới đất trong không gian và thời gian mà việc khai thác nướcdưới đất sẽ gây ra.

Kim, Chung et al (2008) [77] đã đưa ra một cách tiếp cận mới để tích hợp môhình thủ văn, SWAT, với mô hình nước dưới đất, MODFLOW áp dụng cho Lưu vựcMusimcheon ở Hàn Quốc Ứng dụng chứng minh rằng một SWAT-MODFLOW tíchhợp có khả năng mô phỏng sự phân bố theo thời gian của tốc độ bổ sung nước dướiđất, sự thoát hơi nước của tầng chứa nước và mực nước dưới đất Nó cũng cho phéptương tác giữa tầng chứa nước bão hòa và phạm vi tiếp cận của kênh Sự tương tácnày

Trang 33

đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành lưu lượng nước dưới đất trong lưuvực, đặc biệt trong thời kỳ dòng chảy kiệt Nghiên cứu của Frederiksen and Molina-Navarro (2021) [59] cũng đã nhấn mạnh kết hợp mô hình SWAT-MODFLOW hoạtđộng tốt hơn chỉ sử dụng mô hình SWAT như trước đây vì MODFLOW có thể môphỏng dòng nước dưới đất chảy qua lưu vực bề mặt, trong khi SWAT theo mặc địnhkhông có khả năng làm như vậy Ehtiat, Jamshid Mousavi et al (2018) [55] còn đưara một cách tiếp cận mô hình hóa tích hợp bằng cách liên kết 3 mô hình để lập môhình hệ thống tầng chứa nước Dehloran nằm ở khu vực khô hạn phía tây của Iran,trải qua những thay đổi về sử dụng đất, hệ thống tưới tiêu, vị trí và tải trọng bơm:mô hình thủy văn (SWAT), mô hình dòng chảy nước dưới đất (MODFLOW) và môhình lan truyền chất (MT3DMS) SWAT, một mô hình thủy văn bán phân tán, ướctính sự phân bố theo thời gian của tốc độ bổ cập nước dưới đất Sau đó, các lượngbổ cập này được nhập vào MODFLOW bằng cách sử dụng mô-đun HRU của cácluồng ra SWAT để xuất dữ liệu và đưa vào cấu trúc không gian dựa trên ô lưới đầuvào của MODFLOW và MT3DMS Kết quả mô hình tích hợp đã chỉ ra tầm quantrọng của công cụ mô hình tích hợp đã phát triển trong việc định lượng tác động củanhững thay đổi về tài nguyên nước mặt và đất đối với hệ thống nước dưới bề mặtcủa nó.

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của tin học, công nghệ GIS đang thể hiệnvai trò mạnh mẽ trong thực hiện các bài toán mô phỏng các bài toán địa chất thủyvăn bằng cách tích hợp các công cụ mới như‚ “Groundwater toolset”, “Darcy Flow”,“Darcy velocity” [115, 66] Công cụ Darcy Flow có thể tạo ra một “raster” thể hiệnsự cân bằng lượng nước dưới đất trong toàn bộ tầng chứa nước, hay nói cách khác làđể đo lường sự khác biệt giữa lưu lượng nước vào và ra khỏi mỗi ô lưới.

1.3.2 Các nghiên cứu ở trong nước

Các nghiên cứu cân bằng nước tự nhiên được tiến hành từ những năm 1950đến đầu những năm 1975 Trong thời kỳ này, kế thừa các tiến bộ trong nghiên cứuqui luật khí tượng khí hậu của thế giới và hệ thống thiết bị quan trắc, ở nước tamạng lưới quan trắc các đặc trưng khí tượng, thủy văn, hải dương, các hiện tượngthời tiết nguy hiểm như bão, dông, lũ ống, lũ quét, các hệ thống cảnh báo đượcthành lập nhằm nghiên cứu

Trang 34

cân bằng nước với quy mô toàn lãnh thổ, miền, các khu vực Có thể kể đến côngtrình nghiên cứu của GS Ngô Đình Tuấn về chế độ dòng chảy của các sông suốiViệt Nam Tác giả đã đưa ra các khái niệm làm cơ sở đưa ra chỉ tiêu phân vùng thủyvăn làm cơ sở cho việc xác lập cán cân nước theo vùng, địa phương và ô thủy văn.Nghiên cứu căn nguyên quá trình hình thành dòng chảy trên các sông suối nước ta,PGS Nguyễn Lại đã xuất phát từ các khái niệm về các quá trình thủy văn chịu sự chiphối của các quá trình synop vĩ mô trên toàn miền Đông Á đồng thời với sự chi phốicủa điều kiện mặt đệm với mức độ khác nhau Trên cơ sở đó xây dựng lý thuyết vềkỳ dòng chảy sông ngòi gió mùa nhiệt đới Việt Nam Tác giả đã đưa ra chỉ tiêuphân định kỳ dòng chảy “Đường tần suất dòng chảy của các kỳ kế cận nhau khôngđược cắt nhau khi vẽ chúng trên cùng hệ tọa độ”.

Năm 1997, Vũ Minh Cát đã hoàn thành luận án tiến sĩ “Cơ sở khoa học vàthực tiễn trong việc nghiên cứu cân bằng nước mùa cạn và nâng cao hiệu quả khaithác hệ thống thủy lợi sông Nhuệ” Tác giả đã nghiên cứu cân bằng nước mùa cạnhiện tại, tương lai cho từng hộ dùng nước, trên toàn hệ thống và cân bằng nước kinhtế nhằm lựa chọn các giải pháp nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng nước của hệthống bằng việc sử dụng số liệu KTTV, các thông tin hệ thống kết hợp điều tra thựcđịa và mô phỏng thủy văn, thủy lực, nước dưới đất và mô hình toán tối ưu tuyếntính Luận án tập trung nghiên cứu cân bằng nước nhu cầu cho một hệ thống thủylợi sông Nhuệ với việc thiết lập chương trình tính toán nhu cầu nước tưới cho câytrồng, sử dụng mô hình thủy lực kiểm tra nguồn nước tại các điểm cho trước vàđánh giá khả năng cấp nước của một hệ thống thủy lợi đồng thời dự báo về giá cảthị trường, chi phí sản xuất, nguồn nước có thể khai thác và diễn biến thời tiết tạithời điểm nghiên cứu giúp người sản xuất ra các quyết định hợp lý nhằm đạt hiệuquả kinh tế cao.

Khi nền kinh tế xã hội phát triển thì nhu cầu về nước ngày càng nhiều và yêucầu chất lượng ngày càng cao Do vậy, việc nghiên cứu nguồn nước được tiến hànhchi tiết, tổng hợp hơn Năm 2017, Trần Kim Châu, Đỗ Xuân Khánh [2] đã kết hợpcác phần mềm mô hình SWAT, CROPWAT và WEAP thành một công cụ để tínhtoán cân bằng nước hoàn chỉnh cho lưu vực Sesan, Tây Nguyên Trước tiên, môhình SWAT đã đánh

Trang 35

giá thành công tiềm năng nước mặt tại điểm ra của 22 tiểu lưu vực Kết quả hiệuchỉnh và kiểm định tại hai trạm Konplong và Kon tum đều cho kết quả rất tốt Cùnglúc đó mô hình CROPWAT đã xác định được nhu cầu tưới cho các loại cây trồng,nhu cầu này là chủ yếu chiếm đến hơn 91% nhu cầu sử dụng nước tại đây Việcphân chia nhu cầu tưới cho các cây lâu năm và cây hàng năm làm tăng độ chính xácvà chi tiết của kết quả Cuối cùng mô hình WEAP được sử dụng để phân bổ nguồnnước cho các đối tượng sử dụng nước trong lưu vực.

Ngoài việc đánh giá tổng lượng, nhiều mô hình toán đã được quan tâm nghiêncứu, cải tiến và ứng dụng để dự tính sự thay đổi của nguồn nước ngắn hạn và dài kỳ.Một loạt các vấn đề như thủy văn – thủy lực hệ thống sông Hồng – Thái Bình, hệthống sông Mê Kông, hệ thống sông Mã, quy hoạch thủy lợi, hoàn chỉnh các hệthống thủy nông đã được tiến hành trong các quy hoạch tổng hợp lưu vực sôngtrong những năm gần đây Mô hình toán NAM và MIKE BASIN đượ̣c sử dụng đểtính toán cân bằng nướ́c trên cơ sở̉ lượng nước đến (mưa &ndash dòng chảy) vàlượng nước yêu cầu của các ngành kinh tế Mô hình được xây dựng theo kiểu môhình mạng lưới trong đó sông và các nhánh sông chính được hiển thị bằng mộtmạng lưới các nhánh và nút Nhánh sông biểu diễn cho các dòng chảy riêng lẻ trongkhi đó các nút biểu diễn các điểm tụ hội của sông, điểm chuyển dòng hoặc là vị trímà ở đó có diễn ra các hoạt động liên quan đến nước hay những vị trí quan trọng màkết quả mô hình yêu cầu Mô hình Mike Basin giải quyết bài toán theo các bướcthời gian trên toàn hệ thống mạng lưới Ưu điểm của Mike Basin là tốc độ tính toánrất nhanh, do đó có thể thực hiện với nhiều kịch bản khác nhau [1, 12, 13, 14, 15].Bộ công cụ mô hình thủy lực MIKE 11 có thể mô phỏng dòng chảy một chiều tronghệ thống mạng sông, kênh hở trong đó có thể tích hợp các mô đun riêng của môhình mưa dòng chảy, mô đun dự báo lũ; mô đun MIKE 21 mô phỏng dòng chảy 2chiều tràn trên bề mặt lưu vực hoặc trong các thủy vực (hồ, cửa sông, biển) và tínhtoán trường thủy động lực (sóng, thủy triều, dòng chảy, mực nước v.v ); mô đunMIKE URBAN trong đó có bao gồm MIKE MOUSE, SWMM, CS chủ yếu môphòng dòng chảy trong hệ thống tiêu thoát nước đô thị và mô đun MIKE FLOODkết nối các mô đun về dòng chảy 1D với 2D, nối dòng chảy trong

Trang 36

kênh và cống ngầm với dòng chảy tràn bề mặt,… [4].

Để nghiên cứu cân bằng nước trong mối quan hệ với nghiên cứu động tháinước dưới đất, trước tiên cần xác định được diện tích cân bằng và khoảng thời giancân bằng, sau đó thành lập phương trình cân bằng dưới dạng số học các thành phầnđến và đi trong khoảng thời gian nghiên cứu, với các giá trị thông số có được theokết quả điều tra nước dưới đất, xác định dịnh lượng các thành phần đến và đi thamgia vào phương trình cân bằng [7] Từ đầu những năm 2000, phương pháp sân cânbằng là một những phương pháp được ứng dụng rộng rãi để tính toán cân bằng nướcdưới đất [27, 21, 16] dựa trên tài liệu quan trắc động thái tại sân cân bằng NhưQuỳnh, Chư Á Năm 2006, Tống Ngọc Thanh [33] và tập thể tác giả đã ứng dụngbộ phần mềm Visual Modflow, môđun Zone Budget để tính toán cân bằng nướcdưới đất vùng đồng bằng Bắc bộ Tác giả đã tính toán cân bằng nước dưới đất đốivới các vùng đồng thái khác nhau dựa trên các số liệu dòng chảy của từng ô trongmô hình Các nhà địa chất thủy văn tính toán cân bằng nước dựa trên các hiểu biếtvề hệ thống thủy động lực của dòng ngầm Các vùng nhỏ được phân ra trong môhình để tính cân bằng nước được đánh dấu bằng các số vùng.

Từ nhiều năm gần đây ứng dụng các mô hình nước dưới đất như VisualMODFLOW, GMS, FEFLOW, IMOD được ứng dụng rộng trãi để đánh giá cânbằng NDĐ và dự báo cần bằng mới trên cơ sở những giả thiết về khai thác, sử dụnghợp lí nước dưới đất [35] Các dự án Quy hoạch tổng hợp lưu vực sông [12, 13, 14,15] được thực hiện trong những năm gần đây đã ứng dụng phần mềm FEFLOW đểmô phỏng hệ thống các tầng chứa nước và tính toán cân bằng NDĐ cho từng tiểulưu vực/tiểu vùng để phục vụ cho quy hoạch phân bổ tài nguyên nước của các lưuvực sông.

Có nhiều mô hình có thể tính toán, mô phỏng dòng chảy nước dưới đất với sựtham gia trao đổi với dòng chảy mặt ở các trung tâm nghiên cứu lớn như Mike SHEcủa Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI), bộ mô hình HEC của Cục công binh Hoa Kỳcùng một số công cụ khác trong đó mô hình Modflow cho thấy nhiều ưu điểm nhưdễ sử dụng, thời gian tính toánnhanh, giao diện thân thiện, có độ chính xác và tincậy cao Ngoài ra, phương pháp mô hình toán tích hợp nước mặt và nước dưới đấtsử dụng kết

Trang 37

hợp 2 mô hình SWAT và MODFLOW đã được xác lập để định lượng các thànhphần trong cân bằng nước cho thượng lưu sông Đáy từ đập Vân Cốc đến sau nhậpvào LVS Bùi [36] Mô hình SWAT-MODFLOW đã định lượng cụ thể được lượngtương tác giữa nước mặt và NDĐ gồm: Nước sông thấm cho NDĐ và NDĐ cấp chonước sông và nước mưa bổ cập cho NDĐ theo không gian từng tiểu lưu vực và thờigian theo tháng, mùa, năm trên thượng lưu sông Đáy từ đập Vân Cốc đến sau nhậplưu sông Bùi.

1.4 Tiểu kết chương 1

Có thể thấy các lưu vực sông trong và ngoài nước, các nghiên cứu mới chỉ tậptrung vào tính toán cân bằng cung cầu cho các nhu cầu khai thác, sử dụng nước mặtchính trong lưu vực Bên cạnh đó, các nghiên cứu nêu trên chủ yếu là các bài toánriêng lẻ đối với nước mặt hoặc nước dưới đất Mặc dù một số nghiên cứu đã phânvùng cân bằng nước và tính toán cân bằng tài nguyên nước mặt hoặc nước dưới đấttheo các vùng động thái, nhưng chưa xem xét đến các vùng tính toán cân bằng tàinguyên nước theo hướng tiếp cận tổng hợp hệ thống nguồn nước phục vụ cho việckhai thác sử dụng hợp lý nguồn nước một cách hiệu quả Ngoài ra, vấn đề xác địnhcác thành phần tham gia vào cân bằng tài nguyên nước và định lượng các thànhphần tham gia vào cân bằng tài nguyên nước trong lưu vực sông Nhuệ - Đáy chođến nay chưa được nghiên cứu làm sáng tỏ.

Các thành phần chính trong cân bằng nước lưu vực sông bao gồm lượng mưa,dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm, bốc thoát hơi nước, lượng nước khai thác sử dụng,lượng nước thải và lượng nước hồi quy Để phân vùng tính toán cân bằng nước vàxác định các thành phần trên có thể sử dụng các phương pháp khác nhau, có thể chiathành các nhóm chính như sau:

- Phương pháp đo đạc trực tiếp hoặc gián tiếp;

- Sử dụng phương pháp thống kê để xác định các giá trị đặc trưng của cácthành phần tham gia vào cân bằng nước và sử dụng phương pháp trí tuệ nhân tạo đểtính toán, dự báo các thành phần tham gia vào cân bằng nước từ các số liệu của cácyếu tố liên quan như tương quan giữa dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm với bốc hơi,nhiệt độ, độ ẩm ;

Trang 38

- Sử dụng các phương trình cân bằng nước hoặc phương pháp thủy động lựcđể xác định các thành phần cân bằng nước như tính toán lưu lượng dòng ngầm từ tàiliệu mực nước, lượng cung cấp thấm tự nhiên cho nước dưới đất, tính lưu lượngnước sông từ mưa và độ dốc địa hình, mặt cắt sông.

Ngày nay phương pháp mô hình số được sử dụng rộng rãi để xác định cácthành phần tham gia vào cân bằng tài nguyên nước và định lượng các thành phầnđó Trong đó phải kể đến là các mô hình nước mặt bằng việc áp dụng các phần mềmnhư: SWAT, Mike, và mô hình nước dưới đất bằng việc áp dụng các phần mềmnhư Visual Modflow, GMS, Feflow,

Để đạt được được mục tiêu của nghiên cứu, trên cơ sở nghiên cứu tổng quancác vấn đề phân vùng cân bằng nước và tính toán cân bằng nước, nghiên cứu đã xácđịnh các dữ liệu thông tin, phương pháp áp dụng để thực hiện các nhiệm vụ đã đặtra của Luận án Chi tiết xem sơ đồ quá trình nghiên cứu dưới đây:

Trang 39

Hình 1.2 Sơ đồ quá trình nghiên cứu của Luận án

Trang 40

CHƯƠNG 2 ĐẶC ĐIỂM VÙNG NGHIÊN CỨU, PHÂN VÙNG CÂN BẰNGNƯỚC VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN THAM GIA CÂN BẰNG NƯỚC

LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - ĐÁY

Trong nghiên cứu thủy văn - tài nguyên nước, vùng nghiên cứu luôn được xácđịnh trước tiên Để có được bức tranh vĩ mô về đặc điểm tài nguyên nước, khai thácsử dụng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy Chương này bắt đầu bằng việc mô tả cácyếu tố tự nhiên chính như địa hình, khí hậu, thủy văn, ĐCTV, khai thác sử dụngnước của lưu vực Phân vùng cân bằng nước cho lưu vực sông Nhuệ - Đáy đượctrình bày chi tiết theo từng yếu tố, cơ sở, nguyên tắc để lựa chọn và đánh giá Từ kếtquả phân vùng cân bằng nước làm cơ sở xác định các thành phần tham gia vào cânbằng nước cho từng vùng cân bằng sau đó lựa chọn phương pháp để tính toán địnhlượng từng thành phần trong vùng cân bằng nước và toàn lưu vực trong Chương 3của Luận án.

2.1 Đặc điểm vùng nghiên cứu