BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN QUI HOẠCH THỦY LỢI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP BỘ NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ ĐỂ PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG LƯU VỰC SÔNG HỒNG CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TS. TÔ TRUNG NGHĨA 7226 19/03/2009 HÀ NỘI - 2008 Viện Quy hoạch Thủy lợi - NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng Page of 235 1 II. PHẦN CHÍNH CỦA BÁO CÁO 2.1. Đặt vấn đề 2.1.1. Lưu vực sông Hồng-Thái Bình Lưu vực sông Hồng là lưu vực sông quốc tế bắt nguồn từ lãnh thổ Trung Quốc có diện tích tự nhiên lưu vực 169 000Km2, trong đó phần thuộc lãnh thổ Việt Nam là 86 680 Km2 bao gồm địa giới hành chính của 26 tỉnh Bắc bộ là trung tâm chính trị, kinh tế của cả nước. Mặc dù nguồn sinh thuỷ lưu vực khá lớ n tuy vậy phân bổ rất không đồng đều theo thời gian và không gian nên hàng năm hạn hán, lũ, ô nhiễm môi trường nước vẫn thường xuyên xảy ra và ngày càng diễn biến trầm trọng mặc dù hệ thống công trình thuỷ lợi trên lưu vực đã được quan tâm đầu tư xây dựng khá hoàn chỉnh. Nguyên nhân một phần là do biến đổi bất thường theo chiều hướng xấu của chế độ khí hậu trong lưu vực, như ng phần lớn có thể do tác động của nhu cầu phát triển kinh tế trong vùng lớn, công quản lý khai thác nguồn nước còn nhiều bất cập, các vấn đề về môi trường nước chưa được quan tâm đúng mức. Đặc biệt trong 3 năm gần đây, 2004-2006, hạn hán liên tục xảy ra trên diện rộng theo xu thế cực đoan. Mực nước sông Hồng nhiều lần đã xuống đến mức thấp nhất trong 100 nă m gần đây (mực nước tại Hà Nội là 1.58 m ngày 8/3/2005, 1.6m 20/1/2006, 1.46m ngày 4/2/2006), hạn hán dẫn đến thiếu thiệt hại lớn cho sản xuất nông nghiệp và các ngành kinh tế trên lưu vực cũng như các diễn biến nguy hiểm về môi trường nguồn nước ở một số vùng trên lưu vực. Mức độ ô nhiễm môi trường nước xảy ra trầm trọng ở một số vùng như Việt Trì, Thái Nguyên, Bắc Giang, Hả i Dương, Phủ Lý do nguồn thải từ các hoạt động công nghiệp, dân sinh không qua xử lý trực tiếp vào nguồn nước trong khi lưu lượng pha loãng trong sông nhỏ không đáp ứng đủ khả năng tự pha loãng của sông tự nhiên (Viện Quy hoạch Thuỷ lợi, 2002, Viện Quy hoạch Thuỷ lợi, 2006). 2.1.2. Hiện trạng khai thác sử dụng và bảo vệ nguồn nước Tình hình hạn hán thời gian vừa qua ở Việt Nam xảy ra trên diện r ộng với mức độ khá trầm trọng ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất ở nhiều địa phương như thiếu nước phục vụ sinh hoạt, công nghiệp, thiếu nước tưới, ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống hồ chứa thủy điện, suy giảm nước ngầm, tắc nghẽn giao thông thủy. Hạn cũng gây ra nhữ ng ảnh hưởng xấu đến môi trường sinh thái lưu vực sông như ô nhiễm nguồn nước, xâm nhập mặn vùng cửa sông. Đặc biệt các điểm nóng về môi trường nguồn nước trong thời gian qua đã xảy ra ở các lưu vực sông Nhuệ-Đáy, Đồng Nai, Cầu-Thương. Hạn hán xảy ra khi mưa rơi trên lưu vực thấp hơn trung bình nhiều năm, khi dòng chảy đến trong sông nhỏ hơn giá trị trung bình củ a chuỗi số liệu đo. Ngoài ra sụt giảm nguồn nước trên lưu vực sông còn có nguyên nhân rất lớn từ các hoạt động khai thác không hợp lý của các hoạt động sản xuất trên lưu vực. Viện Quy hoạch Thủy lợi - NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng Page of 235 2 Trên lưu vực hàng nghìn hệ thống công trình thủy lợi đã được xây dựng tưới cho 620 000 ha lúa chiêm xuân, 730 000 ha lúa mùa, hàng chục nghìn ha rau màu, cây công nghiệp, cây ăn quả, chống lũ kết hợp tiêu úng bảo vệ hàng vạn ha đất canh tác và các khu công nghiệp dân cư đô thị trên toàn lưu vực. Nhờ có công trình thủy lợi đã chuyển được hàng trăm nghìn ha đất canh tác 1 vụ sang 2 đến 3 vụ, năng suất cây trồng ngày một tăng. Lưu vực sông Hồng v ới tổng lượng dòng chảy khá lớn (khoảng 135 tỉ m3/năm) nhưng phân bổ rất không đều theo thời gian trong năm, tổng lượng dòng chảy 7-9 tháng mùa khô chỉ chiếm từ 20-30% tổng lượng dòng chảy năm. Đặc biệt trong vài năm trở lại đây tình hình hạn hán trên lưu vực ngày càng trở lên khắc nghiệt do diễn biến bất thường của thời tiết, dòng chảy đến hệ thống sông cũng như công tác qu ản lý vận hành hệ thống công trình hồ chứa lớn chưa phù hợp (Viện Quy hoạch Thủy lợi, 2006b). Năm 2003-2004 do mùa mưa năm 2003 kết thúc sớm với lượng mưa thiếu hụt 10-30% so với TBNN nên từ tháng 9/2003 đến tháng 3/2004 nhiều khu vực không có mưa với lượng thiếu hụt khoảng 100-300mm. Thời tiết khô hanh diễn ra liên tục dẫn đến bốc hơi mạnh làm giảm mực nước các hồ chứa, sông su ối, ao hồ. Cùng với thời tiết khô hanh dòng chảy đến trên các sông cũng giảm khoảng 10-20% so với TBNN. Thiếu nước dẫn đến mực nước trên các sông suối giảm mạnh cản trở công tác lấy nước phục vụ tưới, mặn xâm nhập sâu vào các cửa sông. Mùa khô 2004-2005 có thể nói là một trong những năm có diễn biến hạn trầm trọng nhất đã xảy ra trong thời gian gần đây nguyên nhân chính là từ diễn biến b ất thường của dòng chảy đến, thời tiết, công tác vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu trên hệ thống. Mùa mưa năm 2004 kết thúc sớm 1-2 tháng với lượng mưa 10 tháng đầu năm thiếu hụt 30% so với TBNN đồng thời với với dòng chảy đến đầu năm 2005 trên hai nhánh sông Thao và sông Lô đều giảm khoảng 27%-35% dẫn đến tổng dòng chảy về toàn hệ thống tại Sơn Tây r ất nhỏ, mực nước tại Hà Nội xuống đến 1.58m (8/3/2005). Diễn biến bất thường của thời tiết cũng ảnh hưởng lớn đến tình hình tích nước của các hồ chứa cấp nước. Hồ Hòa Bình và hồ Thác Bà đạt mức thấp hơn TBNN và thấp hơn năm 2004. Tình hình dung tích tích nước ở các hồ chứa vừa và nhỏ, các hồ chứa nhỏ và đập dâng ở miền núi trung du thiếu h ụt 50-70% (Nguyễn Đình Ninh, 2006). Mùa khô năm 2005-2006 tình hình có khả quan hơn khi ở đầu mùa khô hồ chứa Hòa Bình tích được đến mực nước dâng bình thường (117 m) và hồ chứa Thác Bà tích lên đến 58.05m tuy vậy trong những một số giai đoạn đầu tháng II/2006 có thời gian hồ Hòa Bình, Thác Bà gần như không xả nước xuống hạ du dẫn đến mực nước sông Hồng hạ xuống mức 1.38 m lúc 13h ngày 20/2 tại Hà Nội (Viện Quy hoạch Thủy lợi, 2006a). Việ c điều tiết nước các hồ chứa lớn Hòa Bình và Thác Bà trong một số giai đoạn nhất định đầu mùa khô còn chưa phù hợp với nhu cầu nước hạ du. Có thể nói mâu thuẫn giữa các ngành sử dụng nước vùng hạ du lưu vực sông sông Hồng đã được thể hiện rõ trong mùa khô, đặc biệt là mâu thuẫn giữa lợi ích phát điện với lợi ích cấp nước cho các ngành dung nước. Nguyên nhân dẫn tới tình hình h ạn, thiếu nước liên tục xảy ra trong những năm gần đây trên lưu vực sông Hồng cũng có thể kể đến là do diễn biến thời tiết hàng năm có nhiều biến động phức tạp bắt đầu mưa muộn và kết thúc mùa mưa sớm, lượng mưa rơi Viện Quy hoạch Thủy lợi - NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng Page of 235 3 hàng năm trên lưu vực giảm so với TBNN đồng thời lượng bốc hơi lớn do thời tiết khô hanh có thể là do ảnh hưởng của sự xuất hiện thường xuyên và kéo dài của hiện tượng El-nino (Viện Quy hoạch Thủy lợi, 2006a). Sự gia tăng dân số kéo theo quá trình phát triển của các ngành kinh tế cũng làm tăng mức độ phức tạp của các hoạt động sử dụng nước trong khi phát triển thủy l ợi còn chậm, còn thiếu công tình thủy lợi điều tiết nước giữa mùa mưa và mùa khô. Các hệ thống công trình thủy lợi hầu hết được xây dựng đã lâu, đã xuống cấp và không đáp ứng được nhu cầu sử dụng nước ở giai đoạn hiện tại. Một nguyên nhân có thể cần phải xem xét đến là khả năng lấy nước của một số hệ thố ng công trình thủy lợi vùng thượng nguồn sông Thao thuộc lãnh thổ Trung Quốc cũng có thể làm suy giảm dòng chảy mùa khô về đến Việt Nam (Tô Trung Nghĩa, 2006). Để đối phó với tình hình hạn Bộ nông nghiệp và PTNT đã áp dụng giải pháp đảm bảo cấp đủ nước cho các hoạt động sản xuất kinh tế trên lưu vực. Tuy nhiên tác động về môi trường nguồn nước, tác động lên hệ sinh thái nguồn nước chưa được xem xét đánh giá đúng mức. Do thời gian gần đây dòng chảy trong mùa khô về hạ du biến đổi bất thường, có thời gian dòng chảy sông Hồng đoạn chảy qua thành phố Hà Nội giảm đến mức người dân có thể lội qua sông Hồng, mực nước tại trạm thủy văn Hà Nội nhiều lần xuống dưới 1.50 m làm gián đoạn giao thông thủy (mực nước thiết kế yêu cầu là 2.15 m). Lưu lượ ng dòng chảy giảm thiểu, sụt giảm đầu nước lấy vào hệ thống các công trình thủy lợi kết hợp với việc quản lý vận hành không hợp lý đã làm giảm nguồn cấp nước sạch trong khi nhiều khu đô thị, công nghiệp liên tục xả chất thải ô nhiễm xuống dòng sông đã tác động mạnh mẽ đến môi trường ở nhiều địa phương. Điển hình như vùng l ưu vực sông Đáy-Nhuệ (thuộc lưu vực sông Hồng) vào thời điểm cuối năm 2005 khi lưu lượng xả thải từ Hà Nội và Hà Tây đã gây ô nhiễm nghiêm trọng vùng nước giao thoa giữa sông Đáy, sông Nhuệ và sông Châu Giang. Theo sở Tài nguyên Môi trường tỉnh Hà Nam thì nước bẩn làm ảnh hưởng đến khoảng 200000 hộ dân thuộc 30 xã trong tỉnh, trong đó thiệt hại nặng nề nhất là khoảng 200 hộ làng chài thuộc xã Châu Thủy, Châu Giang. Dòng ch ảy nước bẩn đen kịt tràn về vào đúng ngày thứ Bảy nên phải đến ngày thứ hai các cơ quan chức năng của tỉnh mới báo cáo lên Bộ và Trung ương đề nghị giải quyết. Để giải quyết tình hình, Bộ Tài nguyên Môi trường đã kiến nghị ngừng trạm bơm xả nước ở Hà Nội và mở cửa xả bơm nước sông Hồng vào, pha loãng độ đậm đặc ô nhiễ m của sông Nhuệ, sông Đáy, sông Châu Giang. Tình hình nhờ thế mà được cải thiện. Đối với làng chài Châu Thủy nước bẩn tràn từ sông Nhuệ sang làm cho cá chết nôi trắng mặt sông, những loài cá sống sâu dưới lớp bùn cũng bị chết, mùi tanh hôi thối nồng nặc vùng ven sông nhiều hộ dân mất trắng do đầu tư nuôi trồng thủy sản, có hộ mất trắng 400 triệu đồng. Nước bẩn sông Nhuệ nhập vào sông Đáy do b ị ảnh hưởng triều lại dềnh lên phía sông Đáy nơi đặt trạm bơm lấy nước cho các nhà máy xử lý nước cho thị xã Phủ Lý làm gián đoạn cấp nước trong thời gian dài từ ngày 23-26/11/2003 gây mất ổn định cho sinh hoạt và sản xuất trong vùng. Theo báo cáo của UBND tỉnh Hà Nam trình Chính Phủ thì ”nước sông Đáy, cách 20 km từ Phủ Lý về phía thượng lưu trở xuống rất hôi thối, màu đen đặc, đã làm cho cá và một số thu ỷ sản khác trên các sông nói trên bị Viện Quy hoạch Thủy lợi - NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng Page of 235 4 chết rất nhiều. Đặc biệt, nhà máy nước thị xã Phủ Lý đã phải ngừng hoạt động, nhân dân thị xã Phủ Lý và dọc ven sông Nhuệ, sông Châu Giang, sông Đáy không có nước dùng để ăn và sinh hoạt đang trong tình trạng lo lắng, kiến nghị tỉnh phản ánh tới Chính phủ và Quốc hội”. Tỉnh Hà Nam cũng đề nghị Thành phố Hà Nội và Hà Tây cần phối hợp chặt chẽ trong vận hành hệ thống công trình c ấp thoát nước để tránh xảy ra tình trạng ô nhiễm nêu trên. Thực tế thì hiện tượng ngừng cấp nước sinh hoạt do nguồn bị ô nhiễm cũng đã xảy ra trong năm 2001 và 2002. Trong phiên họp về giải quyết tình hình thiếu nước gần đây do bộ Tài Nguyên Môi trường chủ trì với sự đóng góp ý kiến của các bộ ngành liên quan như Bộ Nông nghiệp và PTNT, bộ Công nghiệp, Tập đoàn Điện lực Vi ệt nam qua đánh giá tình hình diễn biến dòng chảy gần đây trên lưu vực sông sông Hồng-Thái Bình đã đi đến kết luận cần tiến hành nghiên cứu xác định dòng chảy môi trường cho lưu vực sông Hồng. 2.1.3. Khoa học công nghệ trong quản lý khai thác sử dụng nước Khởi đầu từ cuộc cách mạng công nghiệp nền kinh tế thế giới phát triển nhanh chóng cả về phạm vi độ lớn cũng như v ề tính phức tạp. Cùng với các lợi ích mà quá trình phát triển đem lại chúng cũng đã dẫn đến tình trạng các nghành kinh tế phát triển một cách tự phát lấn át lẫn nhau về nhiều mặt đặc biệt là trong vấn đề chia sẻ các nguồn tài nguyên liên quan. Thông thường cùng với tình hình phát triển của một cá thể cũng đồng thời với sự thất bại, biến mất của một số cá thể khác. Một s ố cá thể vẫn phát triển với các nguy cơ đối đầu tiềm ẩn. Một vấn đề liên quan là khi quá trình phát triển trở lên phức tạp sẽ dẫn đến tình trạng rất khó phân chia tài nguyên cho các cá thể để cùng phát triển đồng thời một cách hiệu quả nhất. Từ việc cần thiết phải tìm một hướng giải quyết đã dẫn đến yêu cầu cần có một phương pháp giải quy ết bài toán vận hành hệ thống tối ưu (Hillier và Liebeman, 2001, Canter, 1996). Có hai yếu tố thúc đẩy quá trình phát triển của khoa học vận hành tối ưu hệ thống. Thứ nhất là các tiến bộ vượt bậc đã đạt được trong lĩnh vực nghiên cứu đặc biệt này. Sau khi kết thúc chiến tranh rất nhiều nhà nghiên cứu từng tham gia phục vụ trong thời chiến cùng một số lớn các nhà nghiên cứu khác đã tiếp tục phát tri ển hướng nghiên cứu và kết quả họ đã đạt được rất nhiều tiến bộ vượt bậc (Hillier và Liebeman, 2001). Một số lượng lớn các công cụ tính toán đã được phát triển trong thời kỳ này, như các công cụ trong tối ưu tuyến tính, tối ưu phi tuyến, quy hoạch động, lý thuyết hàng, lý thuyết cung-cầu (Hillier và Liebeman, 2001, Mays và Tung, 1992). Yếu tố thứ hai có tác dụng hỗ trợ, tăng thêm tính hấp dẫn trong ứ ng dụng của khoa học vận hành hệ thống là cuộc cách mạng trong công nghệ tính toán. Thông thường bài toán vận hành hệ thống đỏi hỏi tiến hành một số lượng cực kỳ lớn các phép tính toán, xử lý bằng tay là không tưởng. Với việc xuất hiện của máy tính với khả năng làm tăng tốc độ xử lý tính toán lên hàng triệu triệu lần là một động lực chủ yếu thúc đẩy khoa học vậ n hành hệ thống phát triển. Cùng với máy tính, từ thập kỷ 80 của thế kỷ trước đã bắt đầu xuất hiện một loạt các phần mềm máy tính trong lĩnh vực điều khiển hệ thống mang lại những tiện ích không thể từ chối cho con người trong việc quản lý vận hành hệ thống kinh tế xã hội (Mays và Tung, 1992, Yeh, 1985, Law và Kelton, 1991). Viện Quy hoạch Thủy lợi - NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng Page of 235 5 Quá trình phát triển dân số thế giới dẫn tới nhu cầu nước gia tăng phục vụ sản xuất lương thực cũng như các ngành dùng nước khác. Đặc biệt đối với các quốc gia nông nghiệp châu Á, nhu cầu nước cho tưới ngày càng trở lên khắc nghiệt khi ngày càng cần nhiều nước hơn để duy trì và tăng cao sản lượng cây trồng. Chất lượng nước ngày càng xuống thấp do các hoạt động phát triển nông nghiệp, công nghi ệp cũng như phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt đô thị và nông thôn cũng đã và sẽ là một gánh nặng lên nguồn nước đang ngày càng trở lên hạn hẹp (Helweg, 1985, Canter, 1996). Trong tình huống khó khăn này việc đưa khoa học vận hành hệ thống tối ưu và ứng dụng phân tích đánh giá các phương án khả thi của hệ thống nguồn nước, tác động qua lại giữa các ngành dùng nước, giữa nhu cầu nước và khả năng cấp nhằm mục đích tìm ra hướng giải quyết phân bổ nguồn nước để đảm bảo cấp đủ các nhu cầu thiết yếu, duy trì môi trường là cần thiết. Trên 70% diện tích quả đất chịu ảnh hưởng trực tiếp từ các hoạt động phát triển lưu vực sông. Do vậy hoạt động phát triển và quản lý lưc vực sông sẽ có ảnh hưởng lớn đến hi ện trạng và tương lai của cuộc sống con người cũng như hệ sinh thái trên lưu vực (Mays, 1996). Tài nguyên nước có những đặc trưng riêng biệt nên việc quản lý và phát triển có tính công cộng, trong khi các loại hàng hoá khác thường được quản lý một cách hiệu quả trong khung thị trường. Rất nhiều các dự án phát triển tài nguyên nước đã được tiến hành mà không tính đến các mối liên hệ về mặt kinh tế để sử dụng tài nguyên nước có hiệu quả cao. Bài toán quản lý tổng hợp nguồn nước có gắn kết tính toán cân bằng nước với hiệu quả kinh tế các hộ dùng nước và diễn biến tác động môi trường nguồn nước đã bước đầu được nghiên cứu và ứng dụng ở một số lưu vực sông trên thế giới (Goodman, 1984, Yeh, 1985). Tuy vậy hiện phương pháp tiếp cận chưa thống nhất, hệ thống công cụ hỗ trợ còn nhiều khác biệt về trình độ khoa học công nghệ và khả năng ứng dụng thực tiễn (Mays và Tung, 1992). Hiện nay hệ thống công trình thuỷ lợi và vấn đề khai thác sử dụng nguồn nước bao gồm nhiều thành phần liên hệ ảnh hưởng lẫn nhau, do vậy các cách tiếp cận có tính phân lẻ trong phát triển và quản lý thường không đạt được mục tiêu tối ưu hệ thống thường dẫn đến việc khai thác lãng phí tài nguyên nước, thất thoát về kinh tế, môi trường xuống cấp (Field, 1971, Douglas và Lee, 1971). Để tạo tiền đề và điều kiện thuận lợi cho sự nghiệp hiện đại hoá nông nghiệp làm tăng sản phẩm nông nghiệp có chất lượng cao đáp ứng được nhu cầu trong nước và xuất khẩu - đồng thời hiện đại hoá nông nghiệp và công nghiệp ở nông thôn đòi hỏi phải sử dụng tài nguyên n ước một cách bền vững và tối ưu. Ở Việt Nam hệ thống công trình thuỷ lợi luôn có vai trò và ý nghĩa hết sức quan trọng đối với phát triển kinh tế, đặc biệt là kinh tế nông nghiệp. Trong những năm gần đây nhà nước đã tập trung đầu tư khoảng 1 500 đến 1 600 tỉ đồng/năm cho thuỷ lợi, chủ yếu là xây dựng các công trình. Tổng số tài sản cố định lên tới khoả ng 100 000 nghìn tỉ vào năm 2000, trong đó nhà nước đầu từ khoảng 50 000 đến 60 000 tỉ đồng. Do có đầu tư hàng ngàn công trình thuỷ lợi lớn nhỏ trên mọi miền tổ quốc đã cấp được nước tưới cho 4,6 triệu ha năm 1986 tăng lên 5,8 triệu ha năm 1996 và năm 2001 xấp xỉ 7 triệu ha, ngoài ra còn cấp nước sinh hoạt cho hàng chục triệu người thuộc các cộng Viện Quy hoạch Thủy lợi - NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng Page of 235 6 đồng dân cư, phục vụ cho sản xuất công nghiệp cũng như các nhu cầu vui chơi giải trí và bảo vệ môi trường (Viện Quy hoạch Thuỷ lợi, 2001, Viện Quy hoạch Thuỷ lợi, 2005a). Tuy vậy, hiệu quả kinh tế mà các hệ thống công trình thuỷ lợi mang lại chưa tương xứng với tiềm năng công trình. Do chưa được coi trọng nên công tác quản lý vận hành khai thác hệ thống công trình thuỷ lợi luôn bị động trước các diễn biến phức tạp về thời tiết, đặc biệt là gần đây do tác động của thị trường nói chung và chính sách chuyển đổi cơ cấu sản xuất nông nghiệp nói riêng. Nhìn chung hệ thống công trình thuỷ lợi mới được khai thác ở mức thấp so với năng lực thiết kế. Hàng năm Nhà nước đầu tư hàng nghìn tỉ đồng cho công tác xây dựng, tu sửa nâng cấp mà vẫn không đáp ứng được yêu cầu của phát triển kinh tế, môi trường nguồn nước ngày càng xuống cấp trầm trọng. Do vậy cùng với việc đầu tư xây dựng nâng cấp công trình, cải tiến về cơ cấu tổ chức và quản lý thì nghiên cứu cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế, bảo vệ môi trường nguồn nước của công tác quản lý vận hành khai thác hệ thống công trình thuỷ lợi cần phả i được đặc biệt chú trọng đầu tư(Viện Quy hoạch Thuỷ lợi, 2002, JICA, 2002). Đối với bài toán quản lý môi trường nước, cùng với công tác đo đạc khảo sát diễn biến môi trường nước theo không gian và thời gian trên phạm vi toàn lưu vực thì việc ứng dụng khoa học công nghệ trong kiểm soát, dự báo tình hình ô nhiễm gây ra bởi các hoạt động phát triển ngày càng được quan tâm trên thế giới cũng như ở Việt Nam (Nguyễn Trọ ng Sinh, 1995, Viện Quy hoạch Thuỷ lợi, 2005b). Từ những bài toán vận chuyển và phân huỷ đơn giản cho một đoạn sông như phương pháp của Streete-Phelp, đến các công cụ tính toán cân bằng, vận chuyển, phân huỷ khác như QUAL2E, MIKE BASIN WQ, IQQM, SWAT đến các mô hình thuỷ động lực MIKE 11 WQ, SOBEK, ISIS, MIKE SHE WQ. Với hệ thống các công cụ như trên hỗ trợ đắc lực cho công tác quản lý môi trường nguồn nước trong thời gian vừa qua. Tuy vậy hệ thống các công c ụ này còn một số tồn tại dẫn đến hạn chế trong khả năng ứng dụng cho hệ thống thực ngày càng phức tạp của thực tế phát triển kinh tế xã hội. Tồn tại chính các công cụ thông dụng hiện có gồm (i) khả năng mềm dẻo trong mô tả các quá trình biến đổi sinh thái trong môi trường nước, (ii) kết nối thuận tiện với hệ thống các mô hình thuỷ động lực h ọc hàm số phân bổ có khả năng mô phỏng khá tốt hệ thống nguồn nước. Viện thuỷ lực Đan Mạch năm 2005 giới thiệu công cụ ECOLab mô tả bài toán sinh thái nguồn nước có thể giải quyết khá tốt tồn tại trong mô tả hệ thống các quá trình biến đổi sinh thái nguồn nước cũng như khả năng rất mềm dẻo trong kết nối với hệ thống các công c ụ tiên tiến hiện có trong mô phỏng các thuỷ động lực học trong sông, hồ. Viện Quy hoạch Thuỷ lợi là cơ quan tư vấn của Bộ Nông nghiệp và PTNT đã đi đầu trong tập quy hoạch và quản lý nguồn nước trên toàn lãnh thổ Việt Nam và đặc biệt là hệ thống lưu vực sông Hồng-Thái Bình từ những năm đầu của thập kỷ 50 của thế kỷ 20.Với độ i ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật có kinh nghiệm lâu năm trong công tác lập quy hoạch phát triển tài nguyên nước cùng với kinh nghiệm xây dựng, phát triển và ứng dụng một loạt các mô hình toán tiên tiến vào loại hàng đầu thế giới hiện nay. Từ mô hình thuỷ văn, mô hình quản lý lưu vực, mô hình thuỷ động lực học, tương tác giao Viện Quy hoạch Thủy lợi - NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng Page of 235 7 diện GIS (như mô hình VRSAP, nhóm mô hình HEC-của Công binh Mỹ, bộ mô hình MIKE-Viện Thuỷ Lực Đan Mạch, các mô hình MITSIM, WUS, TANK, RRMOD, CROPWAT) với hệ thống cơ sở dữ liệu sẵn có tại cơ quan Viện là điều kiện tốt để thực hiện mục tiêu liên kết tổng hợp mô hình phân bổ tối ưu nguồn nước kết hợp quản lý môi trường nguồn nước, áp dụng phương pháp luận, công nghệ tiến ti ến của thế giới MIKE 11, EcoLab, GAMS phục vụ công tác quản lý, khai thác hệ thống nguồn nước lưu vực sông Hồng. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần nâng cao hiệu quả công tác quản lý, khai thác, bảo vệ môi trường nguồn nước đáp ứng các yêu cầu của phát triển kinh tế lưu vực sông Hồng- Thái Bình. 2.2. Mục tiêu của đề tài Mục tiêu  Xây dựng luận cứ khoa học và giải pháp công nghệ phục vụ quy hoạch phát triển bền vững lưu vực sông.  Đề xuất một số vấn đề về chiến lược phát triển tổng hợp bền vững phục vụ phát triển kinh tế xã hội lưu vực sông. Mục tiêu cụ thể:  Xây dựng mô hình tính toán kinh tế, cân bằng nước, và môi trường nguồn nước phục vụ phát triển nguồn nước lưu vực sông Hồng-Thái Bình.  Đề xuất và đánh giá định lượng các kịch bản phát triển bền vững đa mục tiêu nguồn nước bằng ứng dụng mô hình toán/công nghệ GAMS (s.Hồng), MIKE 11 (s.Nhuệ), EcoLab (s.Nhuệ).  Đề xuất một số vấn đề chiến lược phát triển t ổng hợp bền vững phục vụ phát triển KTXH lưu vực sông. 2.3. Cách tiếp cận Từ mục tiêu Xây dựng luận cứ khoa học và giải pháp công nghệ phục vụ quy hoạch phát triển bền vững lưu vực sông. Nghiên cứu sẽ bắt đầu bằng bước rà soát các nghiên cứu liên quan để lựa chọn, xác định các giải pháp cụ thể cho các vấn đề đặc thù của lưu vực nghiên c ứu lưu vực sông Hông-Thái Bình cũng như các vấn đề liên quan như phân bổ tối ưu nguồn nước, dự báo định lượng các tác động về chế độ dòng chảy và diễn biến chất lượng môi trường nước trong vùng. Tiếp theo nghiên cứu sẽ lựa chọn các công cụ tiên tiến trong và ngoài nước, phù hợp với trình độ khoa học công nghệ của các cơ quan trong nước, phù hợp với đặc thù của lưu v ực nghiên cứu là lưu vực sông Hồng-Thái Bình cũng như khả năng có thể đáp ứng về số liệu hiện tại. Qua việc xây dựng các kịch bản nghiên cứu cho lưu vực sông Hồng, phát triển và ứng dụng các công nghệ tiến tiến trong dự báo định lượng tác động của các hoạt động phát Viện Quy hoạch Thủy lợi - NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng Page of 235 8 triển kinh tế xã hội nghiên cứu sẽ khuyến cáo một số vấn đề về chiến lược phát triển bền vững lưu vực sông Hồng-Thái Bình cũng như các biện pháp quản lý giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước lưu vực sông Nhuệ. 2.3.1. Mô hình hóa hệ thống nguồn nước 2.3.1.1. Mô hình mô phỏng và môi hình tối ưu Mục đích phát triển tài nguyên nước ở một lưu vực sông có tầ m quan trọng đặc biệt đối với quá trình phát triển kinh tế vùng, trong đó việc phân tích kinh tế của tài nguyên nước, cụ thể là phân tích kinh tế các nhu cầu dùng nước, khả năng nguồn cấp cùng giá trị kinh tế của tài nguyên nước đối với các yêu cầu dùng nước trên lưu vực phục vụ công tác quản lý và khai thác hệ thống công trình thuỷ lợi đạt hiệu quả kinh tế cao là vấn đề rất quan trọng. Hơn nữa vi ệc hiểu rõ tác động qua lại giữa hoạt động phát triển kinh tế xã hội và phát triển tài nguyên nước trên lưu vực là rất cần thiết để vận hành hệ thống công trình thuỷ lợi phân bổ nguồn nước hạn hẹp đáp ứng các nhu cầu tưới, phát điện, cấp nước đô thị và công nghiệp (Mays, 1996). Hiện có hai cách tiếp cận trong quản lý khai thác phân bổ nguồn nước:  Mô hình mô phỏng quản lý tài nguyên nước thông thường dựa trên quy tắc phân chia nguồn nước và điều khiển của hệ thống công trình thuỷ lợi (ví dụ các mô hình cân bằng nước), mô hình thuộc nhóm này hầu hết còn tập trung vào tính toán cân bằng nước, chưa chú trọng đến các khía cạnh tối ưu kinh tế, môi trường, quản lý và khai thác hiệu quả hệ thống công trình thuỷ lợi (Helweg và Labadie, 1977, Mays và Tung, 1992, DHI, 2005).  Cách tiếp cận thứ hai là phân tích kinh tế quá trình vận hành hệ thống phân bổ tài nguyên dựa trên Mô hình tối ưu hàm mục tiêu cùng với các ràng buộc về các nguồn tài nguyên liên quan, ví dụ tài nguyên đất, tài nguyên nước, tài nguyên con người. Công nghệ GAMS (General Algebraic Modelling System) là một công nghệ tiên tiến trong mô phỏng tối ưu hệ thống, có thể xây dựng và giải các bài toán hiệu quả kinh tế hệ thống tối ưu tuyến tính, tối ưu phi tuyến đã được hai tổ chức Ngân Hàng Thế Giới và Liên Hợp Quốc phối hợp xây dựng và khuyến cáo sử dụng. Có thể nhận thấy rằng mô hình mô phỏng và Mô hình tối ưu (công nghệ GAMS) có mục đích không giống nhau nhưng trong thực tế chúng có thể phối hợp để giải quyết vấn đề về tranh chấp, phân chia các nguồn tài nguyên hạn hẹp nói chung và tài nguyên nước nói riêng. Việc kết hợp Mô hình mô phỏng và Mô hình tối ưu (sử dụng công nghệ GAMS) tính toán hiệu qu ả kinh tế trong công tác quản lý và khai thác hệ thống công trình thuỷ lợi có tính khả thi cao, để khai thác tối ưu hệ thống công trình thuỷ lợi đồng thời đảm bảo phát triển bền vững, hiệu quả nguồn tài nguyên nước. 2.3.1.2. Thủy lực động lực học lưu vực sông Viện Quy hoạch Thủy lợi - NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng Page of 235 9 Để phục vụ cho bài toán quản lý lũ hệ thống nguồn nước ngoài mô hình tính toán biên dòng chảy đến thì mô hình thủy động lực học tính toán truyền sóng lũ trên cơ sở phương trình Saint-Venant đã được phát triển khá rộng rãi và đã đem lại hiệu quả thiết thực trong công tác quy hoạch và quản lý dòng chảy lũ. Mô hình thủy động lực học với đầu vào chính là các diến biến quá trình dòng chảy lũ từ thượng nguồn theo các phương án, kịch bản lũ sẽ tính toán dự báo diễn biến lưu lượng, mực nước tại các vị trí khống chế phục vụ công tác phòng chống lũ ở hạ lưu. Một số mô hình toán thông dụng trong tính toán thủy động lực đã được phát triển và đưa vào ứng dụng phổ biến có thể kể đến như các mô hình của Việt Nam gồm VRSAP, SAL, KOD, TL_VC, các mô hình nước ngoài như SOBEK, ISIS, WENDY và bộ mô hình MIKE do Viện Th ủy lực Đan Mạch giới thiệu với nhiều chức năng nổi trội tính toán mô tả hệ thống thủy động lực học phục vụ nhiều mục đích khác nhau như tình toán thủy lực mạng lưới sông và vùng ngập lũ gồm các mô hình 1 chiều, 2 chiều và 3 chiều, tính toán cho vùng ven biển & cửa sông, vùng ven bờ, tính toán thủy động lực học hệ thống hồ chứa, hệ thống tiêu thoát nướ c đô thị và mô phỏng hệ sinh thái nguồn nước (sẽ được trình bày chi tiết ở phân tiếp theo). Để phục vụ cho bài toán quản lý lũ, xây dựng hệ thống vận hành chống lũ lưu vực sông Hương hiện tại mô hình toán AUTOCAL của DHI có khả năng mô tả chi tiết các chế độ vận hành của hệ thống hồ chứa thủy điện để đề xuất chế độ vận hành h ợp lý cho hệ thống hồ. Ứng dụng AUTOCAL trong vận hành hệ thống nguồn nước được được thực hiện trong nhiều nghiên cứu như nghiên cứu vận hành chống lũ & phát điện cho nhà máy thủy điện Hòa Bình trong Luận văn tiến sỹ của Ngô Lê Long, nghiên cứu vận hành hệ thống công trình thủy lợi lưu vực sông Orange-Fish-Sundays ở Nam Phi. Tác giả Ngô Lê Long (Ngô Lê Long, 2006) trong nghiên cứu cho hồ Hòa Bình đã sử dụng AUTOCAL tính toán đề xuất chế độ vận hành thực bao gồm hệ thống mô hình thủy động lực học hệ thống sông Hồng (vận hành 1 hồ Hòa bình) chống lũ cho hạ du kết hợp tối ưu phát điện đã đề xuất chế độ vận hành hợp lỹ đảm bảo an toàn chống lũ hạ du đồng thời tăng sản lượng điện phát từ hồ Hòa Bình hàng n ăm khoảng 0.4 triệu KWh/năm. Tuy vậy trong nghiên cứu này mới xét đến chế độ vận hành đơn hồ chứa- chưa xem xét đến việc phối hợp vận hành hệ thông liên hồ chứa đa mục tiêu. Ngoài việc tính toán phục vụ quản lý lũ, mô hình thủy động lực học cũng được sử dụng phục vụ cho bài toán vận hành hệ thống công trình phục vụ cấp nước bằng diễ n toán quá trình dòng chảy trong sông và hệ thống lấy nước vùng hạ du (trạm bơm, cống tự chảy, đập dâng …) để kiểm tra khả năng cấp của hệ thống, cũng như khả năng vận hành các cống, trạm bơm…. có thể lấy đủ nước vào trong các hệ thống sử dụng nước hay không. Nghiên cứu ứng dụng AUTOCAL cho lưu vực sông Orange-Fish-Sundays (Pedersen và nnk, 2007) đưa vào ứng dụng hệ thống mô hình th ủy động lực học 1 chiều kết hợp với AUTOCAL tính toán dòng chảy hệ thống sông và công trình thủy lợi phục vụ cấp nước bao gồm hệ thống các hồ chứa, công trình chuyển nước lưu vực, hệ thống sử dụng nước. Kết quả tính toán đảm bảo cấp đủ nước cho các mục tiêu sử dụng, đảm bảo thỏa mãn các điều kiện cần duy trì v ề xâm nhập mặn vùng hạ du. Nghiên cứu ứng dụng phương pháp lan truyền ngược mạng trí tuệ nhân tạo (BPNN) kết hợp mô hình toán phép lọc thống kê tính toán dự báo dòng chảy sông Đà (Black river basin) đã đạt kết quả khá tốt khi sử dụng BPNN dự báo dòng chảy trung bình [...]... Thủy lợi - NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng tháng đến các tuyến trên dòng chính sông Đà, kết quả nghiên cứu cũng kết luận BPNN đã khai thác tốt chuỗi số liệu đo đạc hiện nên việc đưa vào ứng dụng phương pháp lọc hỗ trợ đã không làm tăng hiệu quả quá trình dự báo (Nam, 1998, Nam và nnk, 1998) Hai nghiên cứu cho sông Đà (hồ chứa Hòa Bình) và sông Orange-Fish-Sundays... NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng 90000 Mien Bac Dong bang MienNui 60000 30000 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 Hình 1.d Diễn biến giá trị sản xuất công nghiệp (tỉ đồng) Kịch bản phát triển bền vững Được xây dựng căn cứ vào kế hoạch phát triển của các ngành kinh tế, quy hoạch tổng thể các ngành và các nghị quyết đại hội Đảng cho vùng nghiên. .. “Nước và môi trường” tiến hành tại Dublin vào tháng 1/1992 và hội nghị quốc tế về “Môi trường và phát triển họp tại Rio de Janero vào tháng 6/1992 Phương pháp luận “quy hoạch hành động” nhằm khắc phục những hạn chế về tài liệu cơ bản ở các nước đang phát triển, nhằm đưa ra một loạt các đề xuất Page of 235 17 Viện Quy hoạch Thủy lợi - NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực. .. 40.0 48.9 50 50 Page of 235 30 Viện Quy hoạch Thủy lợi - NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng Hạng mục - Thủy điện (MW) KB1 2340 2010 KB2TH2 3265 KB3 3265 KB1 5940 2020 KB2TH2 6865 KB3 6865 2.4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu Để thực hiện nội dung tính toán phân bổ tối ưu nguồn nước lưu vực sông Hồng- Thái Bình các nội dung phân tích bao gồm khảo sát, thu... cho câu hỏi này (Hillier và Liebeman, 2001, Mays và Tung, 1992, Helweg và Labadie, 1977) Tối ưu hệ thống đã được chú ý nghiên cứu và phát triển từ khá lâu, khá quen thuộc có thể kể đến tối ưu tuyến tính, tối ưu động, tối ưu phi tuyến, lý thuyết trò chơi, chuỗi Page of 235 14 Viện Quy hoạch Thủy lợi - NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng Markov Cùng với các... công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng Điều tra đánh giá HT, TTSL KTTV, SD nước, vận hành công trình, số liệu môi trường XD kịch bản PT lưu vực sông Hồng- Thái Bình Xây dựng mô hình thủy động lực học + môi trường sông Nhuệ XD mô hình tối ưu kinh tế phân bổ nguồn nước lưu vực sông H-TB Tính phân bổ tối ưu nguồn nước lưu vực sông Hồng- Thái Bình Tính toán cấp nước và bảo vệ môi trường sông. .. NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng 2) Kịch bản khủng hoảng nước (CRI) dự đoán sự xấu đi của những khuynh hướng và chính sách hiện thời trong ngành nước 3) Kịch bản sử dụng nước bền vững (SUS) dự kiến có những cải thiện trong một loạt các chính sách và khuynh hướng về nước Những yếu tố chi phối chính trong hệ thống được sử dụng như là các tập hợp cơ sở để. .. tối ưu phi tuyến Tuy nhiên giải pháp cho bài toán phi tuyến được cải tiến liên tục bởi phát triển và sử dụng một số giả thiết cho một số bài toán tối ưu phi tuyến thường gặp Phương pháp giải bài toán tối ưu phi tuyến hiện vẫn còn là một vấn đề còn rộng mở Page of 235 11 Viện Quy hoạch Thủy lợi - NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng mà khả năng con người... thống công trình hồ chứa Số liệu về địa hình lòng dẫn sông Nhuệ năm 2007 Page of 235 32 Viện Quy hoạch Thủy lợi - NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng 2.4.1.2 Khảo sát, đo đạc xây dựng mô hình toán môi trường nước sông Nhuệ 2.4.1.2.1 Đo dòng chảy Đo đạc lưu lượng, mực nước trong mùa kiệt tại các vị trí trong vùng nghiên cứu nhằm thu thập tài liệu cơ bản... yêu cầu về nước thay đổi Công nghiệp và đô thị phát triển mạnh làm tăng nhanh nhu cầu nước Điều kiện về khí tượng thủy văn diễn biến theo xu thế bất lợi do nhiều nguyên nhân như phá rừng, biến đổi khí hậu Page of 235 29 Viện Quy hoạch Thủy lợi - NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng Bảng 1 Thông số tính toán cho các kịch bản phát triển Hạng mục I Nhóm các . hoạch Thủy lợi - NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng Page of 235 16 thành phần của hệ thống. Đối với nghiên cứu cho lưu vực sông Hồng- Thái Bình ràng. 2.3.1.2. Thủy lực động lực học lưu vực sông Viện Quy hoạch Thủy lợi - NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng Page of 235 9 Để phục vụ cho bài toán. sản xuất trên lưu vực. Viện Quy hoạch Thủy lợi - NC cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng Page of 235 2 Trên lưu vực hàng nghìn hệ thống công trình