BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE BASIN
ĐÁNH GIÁ CÂN BẰNG NƯỚC CHO TỈNH PHÚ THỌ
TRONG BỐI CẢNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

CHUYÊN NGÀNH: KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN

VŨ KHẮC TÚ

HÀ NỘI - 2019


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE BASIN
ĐÁNH GIÁ CÂN BẰNG NƯỚC CHO TỈNH PHÚ THỌ
TRONG BỐI CẢNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
CHUYÊN NGÀNH: KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN

VŨ KHẮC TÚ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRƯƠNG VÂN ANH

HÀ NỘI - 2019



biến đổi khí hậu
2. Phạm vi nghiên cứu
Tài nguyên nước tỉnh Phú Thọ
3. Ý nghĩa của luận văn
- Về ý nghĩa khoa học: Đã sử dụng mô hình MIKE BASIN cân bằng nước tỉnh
Phú Thọ hiện trạng và trong tương lai trong bối cảnh biến đổi khí hậu.
- Về ý nghĩa thực tiễn: Từ đó làm cơ sở cho việc quy hoạch sử dụng hợp lý tài
nguyên nước.
4. Kết quả
- Đã ứng dụng thành công mô hình MIKE NAM, MIKE MUSKINGUM tính
toán dòng chảy đến từng tiểu lưu vực.
- Ứng dụng thành công mô hình CROPWAT tính nhu cầu nước nông nghiệp
và xác định nhu cầu nước của các ngành hiện trạng và tương lai
- Kết quả tính toán cân bằng nước theo quy hoạch phát triển kinh tế xã hội đến
năm 2030 bằng mô hình MIKE BASIN trong bối cảnh biến đổi khí hậu cho thấy
tình trạng thiếu nước tập chung vào mùa kiệt tại 5 tiểu lưu vực là PT_TNG1,
PT_TNG2, PT_TPL53, PT_TDD, PT_TPL61 với tổng lượng thiếu hụt là 8,71.106
m3/năm so với hiện trạng là 1,83 106 m3/năm


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân,
được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS.Trương Vân Anh.
Các số liệu, những kết luận được trình bày trong luận văn này trung thực và
chưa từng được công bố dưới bất kì hình thức nào.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Học viên

Vũ Khắc Tú


DANH MỤC HÌNH
DANH MỤC BẢNG
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. Đặt vấn đề ...............................................................................................................1
2. Mục tiêu của luận văn .............................................................................................2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................2
5. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG NƯỚC VÀ KHU
VỰC NGHIÊN CỨU ..................................................................................................3
1.1. Tổng quan về cân bằng nước hệ thống ................................................................3
1.2 Các nghiên cứu trước đây liên quan đến cân bằng nước ......................................4
1.3. Tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước............................................6
1.3.1. Trên thế giới ......................................................................................................6
1.3.2. Việt Nam ...........................................................................................................7
1.4. Giới thiệu một số mô hình....................................................................................8
1.4.1. Các mô hình tính lượng nước đến .....................................................................8
1.4.2. Mô hình tính nhu cầu nước .............................................................................10
1.4.3. Các mô hình tính cân bằng nước .....................................................................10
1.5. Tổng quan về khu vực nghiên cứu .....................................................................12
1.5.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên .................................................................................12
1.5.2. Đặc điểm khí hậu và mạng lưới sông ngòi .....................................................15
1.5.3. Hiện trạng phát triển kinh tế - xã hội ..............................................................23
1.6. Mục tiêu phát triển và các chỉ tiêu kinh tế xã hội chủ yếu.................................27


1.6.1. Mục tiêu phát triển xã hội ...............................................................................27
1.6.2. Định hướng phát triển các ngành ....................................................................28
1.7. Hiện trạng khai thác, sử dụng nước ...................................................................30
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................32

3.4.3. Nhu cầu nước theo kịch bản BĐKH ...............................................................76
3.4.4. Tính toán cân bằng nước tương lai theo kịch bản BĐKH ..............................80
Hình 3.22. Bản đồ % lượng thiếu hụt nước cấp năm 2030 .......................................87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................89
1. Kết luận .................................................................................................................89
2. Kiến nghị ...............................................................................................................90
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................91
PHỤ LỤC ..................................................................................................................94


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
MIKE: Bộ mô hình thủy lực và thủy văn lưu vực Viện Thủy lực Đan Mạch;
NAM: Mô hình dòng chảy của Đan Mạch (Nedbor-AfstromningsModel);
SWAT: Mô hình mô phỏng dòng chảy mặt qua độ ẩm đất (Soil and Water
Assessment Tool);
IPPC: Công ước bảo vệ thực vật quốc tế (International Plant Protection
Convention);
IMRR: Integrated and sustainable water Management of Red- Thai Binh
Rivers System in changing climate;
SRES: Báo cáo về các kịch bản phát thải (Special Report on Emissions
Scenarios);
WEAP: Mô hình hệ thống đánh giá và phát triển nguồn nước (Water
Evaluation and Planning System);
CROPWAT: Mô hình tính nhu cầu tưới của cây trồng theo chỉ tiêu sinh thái;
BASINS: Mô hình được xây dựng bởi Cơ quan Bảo vệ Môi trường (Hoa Kỳ);
MIKE BASIN: Mô hình tính cân bằng nước hệ thống cho lưu vực;
BĐKH: Biến đổi khí hậu;
CCN: Cụm công nghiệp;
KCN: Khu công nghiệp;
KNK: Khí nhà kính;

Hình 3.16. Thiết lập số liệu các ngành sử dụng nước ...............................................67
Hình 3.17. Bản đồ phần trăm lượng nước thiếu hụt năm hiện trạng ........................71


Hình 3.18. Dự báo nhu cầu nước sinh hoạt, dịch vụ tỉnh Phú Thọ năm 2030 ..........77
Hình 3.19. Dự báo nhu cầu nước công nghiệp tỉnh Phú Thọ năm 2030 ...................78
Hình 3.20. Tổng hợp nhu cầu nước nông nghiệp tỉnh Phú Thọ năm 2030 ...............79
Hình 3.21. Tổng hợp nhu cầu nước cho các tiểu vùng theo năm 2030 theo kịch bản
BKKH........................................................................................................................79
Hình 3.22. Bản đồ % lượng thiếu hụt nước cấp năm 2030 .......................................87


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Nhiệt độ bình quân tháng, năm tại các trạm quan trắc thời kỳ 1959 -2017 ..... 15
Bảng 1.2. Tổng số giờ nắng tháng, năm tại trạm quan trắc thời kỳ 1959- 2017.......16
Bảng 1.3. Lượng bốc hơi tháng, trung bình năm tại các trạm quan trắc thời kỳ 1959
-2017..........................................................................................................................16
Bảng 1.4. Độ ẩm bình quân tháng, năm tại các trạm quan trắc thời kỳ 1959-2017 17
Bảng 1.5. Danh sách mạng lưới trạm khí tượng và lượng mưa bình quân trên địa
bàn tỉnh Phú Thọ .......................................................................................................17
Bảng 1.6. Cơ cấu kinh tế và cơ cấu lao động một số năm ........................................25
Bảng 1.7. Tổng hợp một số chỉ tiêu phát triển kinh tế xã hội đến năm 2030 ...........28
Bảng 2.1. Các trạm khí tượng, thủy văn được đưa vào tính toán .............................41
Bảng 2.2. Tiêu chuẩn cấp nước cho hoạt động dịch vụ, công cộng..........................45
Bảng 2.3. Mức tưới của các loại cây trồng năm hiện trạng ......................................46
Bảng 2.4. Tiêu chuẩn cấp nước cho các loại vật nuôi...............................................47
Bảng 2.5. Tiêu chuẩn cấp nước cho thủy sản nước ngọt ..........................................47
Bảng 2.6. Tiêu chuẩn cấp nước cho hoạt động dịch vụ, công cộng..........................49
Bảng 2.7. Mức tưới của các loại cây trồng tương lai theo kịch bản BĐKH .............50
Bảng 3.1. Bộ thông số mô hình MIKE NAM ...........................................................54

thực hiện những bước đi này cần phải sử dụng nguồn nước với lượng khai thác là
lớn. Cộng với việc dân số ngày một tăng nhanh do đó nhu cầu nước sinh hoạt của
người dân lại là một vấn đề cần giải quyết. Mặc dù những năm gần đây được quan
tâm đầu tư nhiều công trình cấp nước để phục vụ sinh hoạt, phục vụ công nghiệp,
xây dựng nhiều công trình thủy lợi, hồ chứa phục vụ cho nông nghiệp và thủy điện.
Tuy nhiên Phú Thọ là tỉnh nằm trong khu vực Trung du miền núi Bắc Bộ có nhiều
đồi núi, địa hình, địa mạo rất phức tạp. Bề mặt địa hình bị phân cắt mạnh mẽ, độ
dốc địa hình vùng núi tương đối lớn, các suối ngắn, hẹp và có nơi chỉ tồn tại nước
theo mùa. Do đó, tình trạng lũ lụt trong mùa mưa, hạn hán trong mùa khô vẫn
thường xuyên xảy ra tại nhiều địa phương miền núi trong Tỉnh. Thêm vào đó ảnh
hưởng của biến đổi khí hậu đang có những tác động nhất định đến trữ lượng nước
của tỉnh. Hơn hết nguyên nhân chính gây ra tình trạng thiếu nước là do thiếu tính
đánh giá về nguồn nước. Việc sử dụng tài nguyên nước chưa cân đối, chưa đưa ra
các mục tiêu ưu tiên để đạt được những lợi ích cao, khai thác sao cho hợp lý.
Trước tình hình đó để tháo gỡ vấn đề trên tác giả đưa ra nghiên cứu “Nghiên
cứu ứng dụng mô hình MIKE BASIN đánh giá cân bằng nước cho tỉnh Phú Thọ
trong bối cảnh biến đổi khí hậu” để từ đó tìm ra phương án giải quyết cho các vấn
đề an sinh và phát triển kinh tế của Tỉnh.

1


2. Mục tiêu của luận văn
 Nghiên cứu công cụ mô hình MIKE BASIN trong bài toán cân bằng nước;
 Đánh giá trữ lượng tài nguyên nước hiện trạng và trong tương lai trong bối
cảnh biến đổi khí hậu.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Tài nguyên nước mặt tỉnh Phú Thọ
4. Phương pháp nghiên cứu
 Phương pháp thống kê, phân tích tài liệu:

hệ thống trữ nước mặt, hệ thống nước ngầm, hệ thống phân phối nước, hệ thống
kiểm soát lũ, và hệ thống tiêu nước
Theo quan điểm hệ thống, hệ thống nguồn nước được định nghĩa như sau: “Hệ
thống nguồn nước là một hệ thống phức tạp bao gồm tài nguyên nước, các công
trình khai thác nguồn nước, các yêu cầu về nước cùng với mối quan hệ tương tác
giữa chúng và chịu tác động của môi trường lên nó”.
Cân bằng nước hệ thống là một vấn đề rất xưa nhưng lại luôn mới, nó vừa là
phương pháp, vừa là đối tượng nghiên cứu. Cân bằng nước là mối quan hệ định
lượng giữa nước đến và đi của hệ thống nguồn nước. Lượng nước đi gồm bốc thoát
hơi nước, ngấm xuống tầng sâu, nước cấp cho các nhu cầu sử dụng nước trên lưu
vực và dòng chảy ra khỏi lưu vực. Lượng nước đến hệ thống được thể hiện dưới các
dạng nước mưa, dòng chảy và nước hồi quy sau khi sử dụng.
Cân bằng nước hệ thống là sự cân bằng tổng thể giữa tài nguyên nước của hệ
thống; định lượng nước đến, đi khỏi hệ thống, trong đó đã bao gồm các yêu cầu về
nước và khả năng điều tiết chúng. Từ đó đánh giá sự tương tác về nước giữa các
thành phần trong hệ thống, các tác động của môi trường lên nó và đề ra các biện
pháp khai thác, bảo vệ nguồn nước một cách hợp lý.
Việc nghiên cứu cân bằng nước có ý nghĩa rất lớn cả về lý thuyết và thực tiễn.
Từ góc độ lý thuyết, phương trình cân bằng nước cho phép ta cắt nghĩa nguyên
nhân, các hiện tượng, chế độ thủy văn của một khu vực xác định, đánh giá các số
hạng trong cán cân nước và mối quan hệ tương tác giữa chúng. Nghiên cứu cân

3


bằng nước cho phép định lượng đầy đủ và chính xác tài nguyên nước để tìm ra
phương thức sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên quý giá này.
Trên quan điểm đó bài toán cân bằng nước hệ thống đã tập trung giải quyết
các vấn đề: Phân các khu dùng nước khác nhau; Nhu cầu nước của của các đơn vị
sử dụng nguồn nước; từ đó tính toán cân bằng nước cho khu dùng nước.

Ở nước ta, hiện tượng thiếu nước trên lưu vực sông đã, đang là một thực tế.
Những nghiên cứu, báo cáo chỉ mới dùng lại ở mức độ áp dụng cho lưu vực nghiên
cứu mà chưa đánh giá được tổng quát cho các lưu vực khác. Từ đó dẫn đến việc
quản lý tổng hợp tài nguyên nước vẫn còn hạn chế, chưa có độ chính xác cao.
Tình hình nghiên cứu
- Hà Thị Hồng Vân [14] đã ứng dụng mô hình Weap tính toán phân bổ nước
mặt cho các lưu vực song tỉnh Hà Nam từ đó làm cơ sở cho việc quy hoạch hợp lý
tài nguyên nước;
- Ngô Chí Tuấn[15] đã ứng dụng mô hình MIKE BASIN để cân bằng nước hệ
thống lưu vực sông Thạch Hãn từ đó làm cơ sở cho việc quy hoạch sử dụng hợp lý
tài nguyên nước;
- Hoàng Thanh Sơn[16] đã tính toán cân bằng nước hệ thống lưu vực sông làm
cơ sở cho việc quy hoạch sử dụng hợp lý tài nguyên nước của lưu vực sông này;
- Nguyễn Phương Nhung [17] đã khôi phục được số liệu mưa từ mô hình Mike
Nam và tính toán được nhu cầu dùng nước cho tưới của các tiểu lưu lực bằng mô
hình Cropwat kết hợp với mô hình Mike Basin từ đó cân bằng nước hệ thống sông
Cầu trong luận văn thạc sĩ của mình;
- Trần Kim Châu [18] đã kết hợp được các phần mềm Swat, Cropwat và Weap
thành công cụ tính toán cân bằng nước hoàn chỉnh cho lưu vực Sesan, Tây Nguyên;
Đặng Đình Khá, Trần Ngọc Anh, Mai Thị Nga [19] đã ứng dụng mô hình
Weap đánh giá và phân tích cân bằng nước hiện tại (2012) và tương lai (2020).
Nhìn chung, các nghiên cứu trên đã bước đầu ứng dụng thành công các mô
hình trong việc tính toán cân bằng nước hệ thống. Đây sẽ là tiền đề cho tính khả thi
của luận văn “Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE BASIN đánh giá cân bằng
nước cho tỉnh Phú Thọ trong bối cảnh biến đổi khí hậu”.

5


1.3. Tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước



1.3.2. Việt Nam
Cũng như các nước trong khu vực Đông Nam Á, biến đổi khí hậu đã, đang tác
động rất lớn tới lãnh thổ Việt Nam. Theo cuốn “Tác động của biến đổi khí hậu đến
tài nguyên nước Việt Nam, 2011”. Những tác động của biến đổi khí hậu như sau:
- Dòng chảy năm: Dòng chảy năm trên các sông ở Bắc Bộ, phần phía bắc của
Bắc Trung Bộ có xu thế tăng phổ biến dưới 2% vào thời kỳ 2040 – 2059; Trái lại,
dòng chảy năm của các sông ở phần phía Nam từ Hà Tĩnh trở vào lại có xu thế giảm
dưới 4,0 % vào thời kỳ 2040 -2059; Tác động của biến đổi khí hậu cũng sẽ làm cho
dòng chảy năm của sông Mê Công tăng lên 7,0 % vào thời kỳ 2010 -2050 so với
thời kỳ 1985- 2000.
- Dòng chảy mùa lũ: Dưới tác động của biến đổi khí hậu, dòng chảy mùa lũ
của phần lớn các sông, đều có xu thế tăng, chỉ riêng sông Đồng Nai giảm so với
thời kỳ 1980-1999. Dòng chảy mùa lũ tăng khoảng 2,0 -4,0% ở hai hệ thống sông
Thu Bồn, sông Ba, riêng sông Thao tăng khá nhiều, vào khoảng 8,7% tại Yên Bái,
- Lưu lượng đỉnh lũ: Nhìn chung, biến đổi khí hậu sẽ làm gia tăng mức độ
nguy hiểm của lũ lụt. Giá trị Qmax với tần suất 1% trên các sông đều tăng khoảng
1,0 -5,0 so với thời kỳ 1980-1999, tăng mạnh ở một số nhanh sông thuộc hệ thống
sông Hồng, nhưng có xu thế giảm ở sông La Ngà.
- Dòng chảy mùa cạn: Dưới tác động của biến đổi khí hậu, dòng chảy năm và
dòng chảy mùa lũ, dòng chảy mùa cạn trong tương lai của tất cả các sông trên lãnh
thổ Việt Nam đều giảm, nhưng mức giảm sẽ khác nhau khá lớn ở các sông. Vào
thời kỳ 2040-2059, mức độ giảm của dòng chảy trung bình vào mùa cạn dao động
trong phảm vi từ dưới 1,5% ở các sông: Đà, Gâm, Hiếu, đến trên 10% tại sông Ba.
- Lũ lụt, ngập lụt: Dưới tác động của BĐKH, lượng dòng chảy lũ cùng với lưu
lượng đỉnh lũ có xu thế gia tăng, dẫn đến khả năng xảy ra các trận lũ lớn hơn trong
tương lai và do đó gia tăng mức độ nguy hiểm của lũ lụt. Ở đồng bằng sông Cửu
Long các hiện tượng thời tiết như mưa, bão kết hợp với nước biển dâng làm cho các
thành phố thị xã bị ngập lụt như Châu Đốc, Long Xuyên...

hình có hai dạng cấu trúc đơn và kép.

8


Ưu điểm
Là một mô hình thân thiện với người dùng được sử dụng rộng rãi trên toàn
thế giới.;
Mô hình có 2 dạng TANK đơn và TANK kép có thể lựa chọn để phù hợp với
nhiều bài toàn khác nhau.
Nhược điểm
Mô hình khó thể hiện sự trễ của dòng chảy so với mưa nên mô hình thích ứng
với các lưu vực nhỏ.
Do mô hình được cấu tạo từ các bể tuyến tính, các thông số tại một số trường
hợp là kém nhậy.
*MIKE NAM
Mô hình NAM được viết tắt từ chữ Đan Mạch "Nedbor - Afstromming Model", nghĩa là mô hình mưa - dòng chảy. NAM thuộc loại mô hình thuỷ văn tất
định - nhận thức - gộp, được xây dựng vào năm 1982 tại Khoa Thuỷ văn, Viện Kỹ
thuật Thuỷ động lực, trường Đại học Kỹ thuật Đan Mạch.
Ưu điểm
Mô hình chạy trên môi trường Windown – hệ điều hành rất quen thuộc với
người dùng;
Mô hình có khả năng liên kết với nhiều modun khác trong bộ mô hình MIKE
và GIS;
Thuận tiện giải quyết cho các bài toàn vừa và nhỏ;
Sử dụng chế độ tự động chạy của mô hình để tìm ra bộ thông số phù hợp.
Nhược điểm
Là một phần mềm thương mại nên giá thành rất đắt để có được bản quyền của
người sử dụng.
Tổng hợp các ưu nhược điểm của các mô hình nêu trên, luận văn đã sử dụng

chiến lược quản lý tài nguyên nước trong lưu vực. Sử dụng WEAP có thể quản lý
tài nguyên nước ở đô thị cũng như nông thôn, cho một lưu vực nhỏ hay cả một hệ
thống sông.
Theo dõi ô nhiễm và nhu cầu sinh thái của từng vùng. Ngoài ra, phần mềm
này còn có thể phân tích và tính toán kinh tế các dự án quản lý tài nguyên nước.

10


* Mô hình BASINS
Mô hình BASINS được xây dựng bởi Cơ Quan Bảo vệ Môi trường (USEPA).
Mô hình được xây dựng để đưa ra một công cụ đánh giá tốt hơn và tổng hợp hơn
các nguồn phát thải tập trung và không tập trung trong công tác quản lý chất lượng
nước trên lưu vực. Đây là một mô hình hệ thống phân tích môi trường đa mục tiêu,
có khả năng ứng dụng cho một quốc gia, một vùng để thực hiện các nghiên cứu về
nước bao gồm cả lượng và chất trên lưu vực. Mô hình được xây dựng để đáp ứng 3
mục tiêu: Thuận tiện trong công tác kiểm soát thông tin môi trường; Hỗ trợ công tác
phân tích hệ thống môi trường; Cung cấp hệ thống các phương án quản lý lưu vực;
Mô hình BASINS là một công cụ hữu ích trong công tác nghiên cứu về chất và
lượng nước. Với nhiều môđun thành phần trong hệ thống, thời gian tính toán được
rút ngắn hơn, nhiều vấn đề được giải quyết hơn và các thông tin được quản lý hiệu
quả hơn trong mô hình. Với việc sử dụng GIS, mô hình BASINS thuận tiện hơn
trong việc biểu thị và tổ hợp các thông tin (sử dụng đất, lưu lượng các nguồn thải,
lượng nước hồi quy, ... ) tại bất kỳ một vị trí nào. Các thành phần của mô hình cho
phép người sử dụng có thể xác định ảnh hưởng của lượng phát thải từ các điểm tập
trung và không tập trung.
* MIKE BASIN
Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) xây dựng các phần mềm để đánh giá và phân
tích các vấn đề về chất lượng và số lượng nước, đây là các phần mềm hữu ích trong
công tác lập kế hoạch phát triển và quản lý nguồn nước theo quan điểm bền vững.